專利名稱：一種無刷空心杯直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于壓縮機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種無刷空心杯直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)。
背景技術(shù)：
壓縮機(jī)是將低壓氣體提升為高壓氣體的一種耗功率的流體機(jī)械，廣泛應(yīng)用于需要?dú)怏w壓縮和驅(qū)動(dòng)的場(chǎng)合，如蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)。也可應(yīng)用于其它流體泵送或流體振蕩的場(chǎng)合，如回?zé)崾街评湎到y(tǒng)以及其它流體壓縮驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。壓縮工質(zhì)不限于是氣體，也可以是液體。曲柄連桿式往復(fù)活塞壓縮機(jī)歷史悠久，至今仍在廣泛應(yīng)用。圖I為一種常用往復(fù)·活塞式壓縮機(jī)剖面圖，它主要由電機(jī)定子001、轉(zhuǎn)子002、壓縮機(jī)缸體003、活塞004、曲軸005、連桿006等組成。首先是將電機(jī)定子001形成旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，與轉(zhuǎn)子002相互作用，拖動(dòng)轉(zhuǎn)子002作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。曲軸005和連桿006將電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成活塞004的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，由活塞004的位移改變?nèi)萸惑w積進(jìn)行壓縮。這種壓縮機(jī)必須有一套將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊本€往復(fù)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)。通過對(duì)這類壓縮機(jī)的動(dòng)力學(xué)分析(以曲柄連桿機(jī)構(gòu)為例)可見作用在曲柄連桿機(jī)構(gòu)上的力主要有三種一慣性力、氣體力(負(fù)載)、摩擦力。慣性力又分為活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的慣性力、曲柄不平衡旋轉(zhuǎn)質(zhì)量所產(chǎn)生的離心慣性力、連桿運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)的慣性力；壓縮機(jī)的摩擦功率包括往復(fù)摩擦功率、旋轉(zhuǎn)摩擦功率。其中曲柄不平衡旋轉(zhuǎn)質(zhì)量所產(chǎn)生的離心慣性力、連桿運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的慣性力以及旋轉(zhuǎn)摩擦力都是因?yàn)槭褂眯D(zhuǎn)式電動(dòng)機(jī)而直接引起的，將帶來能量的損失，而往復(fù)摩擦功率的損失則很大程度上是由曲柄連桿機(jī)構(gòu)造成的活塞所受側(cè)向力引起的?？傊?，這種機(jī)器總體體積龐大、傳動(dòng)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?yàn)樽鲂D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的電機(jī)以及將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)所致。因此，傳統(tǒng)往復(fù)活塞式壓縮機(jī)有可能因?yàn)槭褂靡环N新型的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式而使性能大為改善。圖2為一種動(dòng)磁式直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的往復(fù)壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)。具有圓桶狀軸對(duì)稱的外鐵軛011和內(nèi)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(huán)41、42、43、44位于內(nèi)外鐵軛的氣隙中，并與其相連的構(gòu)件及活塞一起構(gòu)成動(dòng)子。當(dāng)線圈02中通入交變的電流時(shí)，在內(nèi)外鐵軛011、012產(chǎn)生電磁場(chǎng),與動(dòng)子上的永磁體相互作用，并驅(qū)動(dòng)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)的壓縮機(jī)利用電能直接轉(zhuǎn)換成活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，不需要中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，因而結(jié)構(gòu)緊湊。但最優(yōu)工作頻率受制于機(jī)械諧振系統(tǒng)的頻率，不利于變頻調(diào)節(jié)。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(fā)明內(nèi)容
鑒于上述問題，本發(fā)明提出一種無刷空心杯直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，運(yùn)行可靠，具有優(yōu)良的變頻特性、高效率、低噪聲的特點(diǎn)。一種無刷空心杯直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)，其特征在于，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(gòu)成活塞往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)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(cè)壁之間安放有空心杯繞組。進(jìn)一步地，所述永磁體序列至少具有一個(gè)徑向充磁的永磁環(huán)，相鄰的永磁環(huán)充磁方向相反。進(jìn)一步地，所述永磁體序列至少具有一個(gè)軸向充磁的永磁環(huán),永磁環(huán)兩側(cè)設(shè)置導(dǎo)磁環(huán)，導(dǎo)磁環(huán)直徑大于永磁環(huán)直徑。進(jìn)一步地，所述永磁體序列采用海爾貝克結(jié)構(gòu)。
進(jìn)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(jìn)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，每匝線圈中不少于1/3的部分沿著繞組杯體的圓周方向纏繞。本發(fā)明的技術(shù)效果體現(xiàn)在I、本發(fā)明通過直流電逆變驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)非常優(yōu)良的變頻特性，電機(jī)運(yùn)動(dòng)部件與活塞構(gòu)成一體，無需運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，降低了能量傳遞損耗。2、本發(fā)明采用無鐵心的電樞結(jié)構(gòu)，消除了磁阻力波動(dòng)，改善了驅(qū)動(dòng)力性質(zhì)。另外，電樞暴露于流體中，有利于實(shí)現(xiàn)散熱，提高功率密度和效率，改善電機(jī)性能?；鞠斯潭ǖ碾姌信c運(yùn)動(dòng)的永磁序列之間的徑向吸引力，降低了裝配難度。3、本發(fā)明比較適宜作微型壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)器或聲波發(fā)生器，并容易實(shí)現(xiàn)微型化。4、本發(fā)明可采用直流電源供電，并可以配置內(nèi)置換相元件，并可以采用調(diào)節(jié)電壓的方式調(diào)速，方便可靠。


圖I為一種典型結(jié)構(gòu)的往復(fù)式蒸汽壓縮機(jī)截面示意圖；圖2為一種典型結(jié)構(gòu)的永磁直線電機(jī)橫截面不意圖；圖3為發(fā)明的一種無刷空心杯直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)橫截面示意圖；圖4為發(fā)明的一種無刷空心杯直線電機(jī)永磁結(jié)構(gòu)及磁感應(yīng)矢量示意圖；圖5為發(fā)明的一種無刷空心杯直線電機(jī)電流主磁極及電樞電流層示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。參看圖3，本發(fā)明一種無刷空心杯直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)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(shí)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(cè)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(gòu)成壓縮機(jī)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)部件。筒形氣缸I采用非導(dǎo)磁材料制造，腔體內(nèi)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(gòu)成一對(duì)摩擦副，以便在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)減小磨損。筒體5同時(shí)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可采用稀土永磁材料制成。無刷空心杯直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)的工作過程為通過換相電路板對(duì)空心杯繞組供電，空心杯繞組與永磁序列之間產(chǎn)生交變電磁力，在柔性板彈簧提供的回復(fù)力協(xié)助下，驅(qū)動(dòng)活塞(筒體)在氣缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)氣體的壓縮和膨脹。一種情況下，永磁體序列至少具有一個(gè)徑向充磁的永磁環(huán)，對(duì)于多個(gè)磁環(huán)的情況，相鄰的永磁環(huán)充磁方向相反。一種情況下，永磁體序列至少具有一個(gè)軸向充磁的永磁環(huán)，磁環(huán)兩側(cè)設(shè)置導(dǎo)磁環(huán)，一般導(dǎo)磁環(huán)直徑大于永磁環(huán)直徑。一種情況下，永磁體序列可以采用海爾貝克(Halbach)結(jié)構(gòu)，其具有至少一個(gè)徑向 磁環(huán)及其兩側(cè)設(shè)置的充磁方向相反的軸向永磁環(huán)。在如圖4所示的情形下，部分磁感應(yīng)線的方向如帶箭頭曲線所示。采用這種結(jié)構(gòu)可以省去永磁外側(cè)的軛鐵，并強(qiáng)化腔體內(nèi)側(cè)的磁場(chǎng)。這種結(jié)構(gòu)也有利于減輕運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量。一種情況下，空心杯繞組可為單相、兩相或多相繞組。本發(fā)明實(shí)施例采用三相繞組，并沿著軸向方向布置。每匝線圈中至少一部分(不少于1/3)應(yīng)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，采用一定換相手段，在主永磁磁極下(例如31、32、33 )產(chǎn)生交替的電流層(21、22、23 )。永磁磁場(chǎng)和電樞電流相互作用下產(chǎn)生電磁推動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)。一種情況下，壓縮機(jī)可作為聲泵用于斯特林制冷系統(tǒng)，特別地，使用于制冷量不大的微型制冷機(jī)，可在外界腔體內(nèi)形成接近正弦的波動(dòng)壓力。本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種無刷空心杯直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)，其特征在于，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(gòu)成活塞往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)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(cè)壁之間安放有空心杯繞組。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無刷空心杯直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)，其特征在于，所述永磁體序列至少具有一個(gè)徑向充磁的永磁環(huán)，相鄰的永磁環(huán)充磁方向相反。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無刷空心杯直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)，其特征在于，所述永磁體序列至少具有一個(gè)軸向充磁的永磁環(huán)，永磁環(huán)兩側(cè)設(shè)置導(dǎo)磁環(huán)，導(dǎo)磁環(huán)直徑大于永磁環(huán)直徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無刷空心杯直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)，其特征在于，所述永磁體序列采用海爾貝克結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2或3或4所述的無刷空心杯直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)，其特征在于，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(jù)權(quán)利要求5所述的無刷空心杯直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)，其特征在于，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，每匝線圈中不少于1/3的部分沿著繞組杯體的圓周方向纏繞。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種無刷空心杯直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)，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(gòu)成活塞往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)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(cè)壁之間安放有空心杯繞組。本發(fā)明通過直流電逆變驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)非常優(yōu)良的變頻特性；電機(jī)運(yùn)動(dòng)部件與活塞構(gòu)成一體，無需運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，降低了能量傳遞損耗；采用無鐵心的電樞結(jié)構(gòu)，消除了磁阻力波動(dòng)，改善了驅(qū)動(dòng)力性質(zhì)；電樞曝露于流體中，有利于實(shí)現(xiàn)散熱，提高功率密度和效率，改善電機(jī)性能。
文檔編號(hào)H02K41/03GK102953956SQ20121043186
公開日2013年3月6日 申請(qǐng)日期2012年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月1日
發(fā)明者張曉青, 李奎 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)