CN100580247C - 一种直线压缩机 - Google Patents

Abstract

一种直线压缩机，其在原有直线电机总成、压缩气缸等基础上加以改进，即电机内的定子线圈为以机壳为中心对称分布的左、右定子线圈，该两定子线圈之间的机壳内固定有左、右环状磁路元件；主轴之外的动子部分为铁心，而左、右端盖的内表面分别具有伸入各自定子线圈内的凸部，铁心的两端面上分别具有与上述凸部相匹配的凹部，且在自然状态下，动子两端分别部分伸入到各定子线圈内，以使机壳中心两侧分别形成对称平衡的左、右磁路。由于本发明的结构、磁路、电路、负载、阻力均对称平衡布置，且动子表面又为铁心，因而只要对左、右定子线圈轮流通以反向电流，就可吸引动子做强迫谐振运动而顺利地实现空气的压缩，且整体工作效率高，耗能低。

Description

一种直线压缩机

技术领域

本发明涉及一种压缩机，尤其涉及一种直线压缩机。

背景技术

传统的压缩机大多是一种往复式压缩机，一般使用普通旋转电机，通过曲柄连杆机构带动活塞在缸体内往复运动来压缩气体。当活塞进行压缩行程时，吸气阀关闭，排气阀打开。当活塞进行抽吸行程时，排气阀关闭，吸气阀打开。这种压缩机的工作压缩比小，而且由旋转运动变成直线运动结构复杂，效率低，还有机械传动机构工作时噪声大。

针对上述现状，市场上出现了直线压缩机，现有的直线压缩机大多采用单定子线圈结构，该种直线压缩机要实现其内动子的往复运动来压缩气体，一般在动子完成压缩行程后，需要依靠弹簧回复力进行复位。可弹簧的使用增加了活塞移动时的阻力，且在动子回复过程中不再压缩空气，因而存在着系统效率低的缺陷。

也有一种采用单定子线圈结构的直线压缩机，它采用永磁铁来实现动子压缩行程后的复位。如一专利号为ZL01135627.8(公告号为CN1363770Y)的中国实用新型专利《电机功率与活塞行程无关的超高压缩比型活塞式压缩机》就披露了这样一种压缩机，包括有作为动力装置的直线电机结构：由它处于直线往复运动的动子部件驱动活塞做直线往复运动；外设水冷散热装置的气缸：它的排气端口部位对活塞的出进是采用完全敞开的结构型式；控制直线电机往复运行的电源转换开关装置。该专利主要是对汽缸作了改进，根据对该专利的理解，结合本领域技术人员的相关知识可知：改变同一线圈的电流方向，要实现动子在定子产生的变化磁场内往复移动，所述的动子必须附有永磁铁(或者在动子外表面附有复位弹簧)，可在变化磁场内，永磁铁动子不管朝哪个方向移动都会产生阻力，且两边的阻力不相同，同时该压缩机的磁路结构也不可能产生与气体压缩特性相一致的力特性。即在磁路、电路、阻力等方面都不是平衡对称的，因此该压缩机仍然具有工作效率低、耗能大的特点。

还有一专利号为ZL200410030847.0(公告号为CN1563714Y)的中国实用新型专利《直线电机驱动的往复泵》，它明确披露了这样一种采用永磁铁动子的直线电机驱动的往复泵，包括缸套、缸套内设有活塞、活塞杆，活塞杆与直线电机动子连接并固定，直线电机外壳内有定子固定环，直线电机定子是由硒钢片缠绕阻组成，定子内有直线电机动子，动子表面贴有永磁铁，永磁铁外表面与定子内表面之间的距离在1-3毫米之间。直线电机外壳端部有电机端盖，电机端盖上有直线轴承。利用直线电机为往复泵直接提供直线往复运动的动力。由于该专利文献中的直线电机采用不对称的结构，且采用永磁铁来实现动子的复位运动，因而存在着与上述相同的缺陷。另外，由于该往复泵压缩的是流体，流体的压缩特性不同于空气，因此用这种磁路结构的直线压缩机上，是无法达到压缩空气的目的。

综上所述，现有的直线压缩机均存在工作效率低、耗能大的缺点，故还可作进一步改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术现状而提供一种结构合理而具有效率高、耗能少的直线压缩机，

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种直线压缩机，用于压缩气体，包括有直线电机总成以及固定在直线电机总成两端的左、右压缩气缸；其中直线电机总成包含有由机壳和设置在机壳两端的左、右端盖围成的壳体，以及定位于壳体内的定子线圈和在定子线圈内作轴向运动的动子；所述动子左、右两端的主轴分别贯穿左、右端盖后与对应侧压缩气缸内的活塞相固连，并在主轴与相应端盖之间支承有直线轴承；其特征在于：所述的定子线圈有两个，分别以机壳为中心对称分布而形成结构相同的左、右定子线圈，并在该左、右定子线圈之间的机壳内间隔固定有左、右环状磁路元件；上述主轴之外的动子部分为铁心，而在上述左、右端盖的内表面上分别具有伸入各自定子线圈内的凸部，对应地，所述铁心的两端面上分别具有与上述凸部相匹配的凹部，且在自然状态下，所述动子的两端分别部分伸入到左、右定子线圈内，以使机壳中心两侧分别形成由上述机壳、对应侧端盖、动子、对应的环状磁路元件构成的对称平衡的左、右磁路。

为了能方便地调整活塞与对应压缩气缸缸底之间的余隙，在上述动子的中心贯穿有一带位置传感器的限位键，对应地，在机壳上开有轴向的限位槽，上述限位键端部穿过限位槽而外露于机壳，并在自然状态下，限位键处于该限位槽的中部。采用这样的结构后，利用限位键的外露，就可方便地按需移动限位键上的位置传感器，即可快速地改变动子的移动幅度，也就是调整了活塞和对应压缩气缸缸底之间的余隙量，使气缸的余隙降低到最小，而获得更好的运行性能；同时若位置传感器控制失效的情况下，又可借助于限位键与限位槽边沿的抵触，来有效地防止活塞撞击压缩气缸的缸底而具有防撞的功能。

考虑到加工的方便性，上述的各凸部的外周面以设计成圆锥面为佳，所述的凹部的内周面也以呈相应的圆锥面为佳。当然上述各凸部的外周面以及各凹部的内周面也可以呈椭球面或多级台阶面，这样的磁路结构同样可以使动子在轴向做强迫谐振运动过程中，磁动力的变化符合气体压缩特性，从而有效地保证本发明具有与气体压缩时的压力特性要求相一致的电机的力特性曲线，

为便于将环状磁路元件固定在机壳内，上述的各环状磁路元件上开多个定位孔，对应在机壳的两端开有与各定位孔相应的穿孔。固定时只需用定位销插入穿孔及定位孔内即可，以使定位方便、准确。

由于活塞和压缩气缸之间不可避免会存在一定配合间隙误差，活塞在移动过程中难免会有一定的晃动，如果活塞和主轴之间为刚性连接，则活塞和主轴的连接处容易损坏；同时为了确保两个气缸之间形成对称平衡的负载，上述的主轴与对应的活塞之间通过万向节相连。由于主轴和活塞之间连接是多角度的，即使活塞在移动过程中发生晃动，其也能通过万向节将该晃动消除，起到一定自调心作用，因此能保证两个气缸之间形成对称平衡的负载，确保各活塞作直线运动。

与现有技术相比，由于本发明的机壳中心两侧分别设置了结构相同的左、右定子线圈，以及对称平衡的左、右磁路和由凸起、凹部形成的相同结构的空气间隙，且动子表面又为铁心，因而本发明无需依靠弹簧或永磁体来复位，只要对左、右定子线圈轮流通以反向电流，就可使机壳内两侧形成磁路、电路、负载、阻力都对称平衡的结构，且在吸引动子做往复强迫谐振运动的过程中，磁动力的变化完全满足气体压缩时的压力特性曲线，使电机的力特性符合这种曲线特性的要求，而顺利地实现压缩功能。同时，这种借助于另一线圈通以反向电流吸引动子复位的结构，减小了动子回复时的阻力，降低了直线电机无用功的耗电量，而使本发明具有整体工作效率高，耗能低的优点。在实际试用中，带来了意想不到的技术效果，因而值得推广应用。

附图说明

图1为本发明实施例的立体结构示意图；

图2为本发明实施例的正面示意图；

图3为图2的A-A向剖视图；

图4为气体压缩时的压力特性曲线示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1～3所示，为本发明的一个优选实施例。

该直线压缩机包括有直线电机总成1以及位于直线电机总成1两端结构相同的左压缩气缸2a和右压缩气缸2b，左、右压缩气缸上分别设有一吸气口和出气口，各吸气口和各出气口上均安装有控制阀，以保证吸气口只为进气，出气口只是排出气体，它们都是现有压缩机的常规技术，因此在图纸中没有显示吸气口、出气口和控制阀结构。

所述的直线电机总成1包含有壳体、定位于壳体内结构相同的左定子线圈5a、右定子线圈5b和可在左、右定子线圈内作轴向运动的动子，其中，壳体又由筒体状的机壳3、通过螺栓固定在机壳3两端且结构相同的左端盖4a和右端盖4b围成，上述左压缩气缸2a的缸体固定在左端盖4a上，右压缩气缸2b则固定于右端盖4b；机壳3的外部还设有支承脚33；

所述的左定子线圈5a、右定子线圈5b结构也相同，在这里，左定子线圈5a紧靠左端盖4a，右定子线圈5b紧靠右端盖4b，即分别以机壳3为中心对称分布；

所述动子由主轴9和附在主轴中部的铁心6构成，主轴9两端分别贯穿左、右端盖后与对应侧压缩气缸内的活塞相固连，即主轴9的右端与右压缩气缸2b内的右活塞8b相连，主轴9的左端与左压缩气缸2a内的左活塞8a相连，并在主轴9与相应端盖之间支承有直线轴承10；同时了为确保各活塞的直线运动，上述主轴9的两端是通过各自的万向节11与对应侧的活塞相连；

所述的左、右定子线圈之间的机壳3内还间隔固定有左环状磁路元件7a和右环状磁路元件7b。在本实施例中，左环状磁路元件7a邻近左定子线圈5a，右环状磁路元件7b，邻近的右定子线圈5b。上述各环状磁路元件采用铁磁材料制成。为了方便定位，在各环状磁路元件上还开多个定位孔，即左环状磁路元件定位孔71a和右环状磁路元件定位孔71b，对应在机壳3的上开有与各定位孔相应的穿孔31，组装时，只需将定位销依次插入穿孔31和相应的定位孔后即可将环状磁路元件定位在机壳3内。这样，机壳、左端盖、铁心、左环状磁路元件构成了左磁路，机壳、右端盖、铁心、右环状磁路元件构成了右磁路，且左、右磁路分别以机壳为中心对称平衡分布；

为了满足如图4所示的气体压力特性曲线(图中，O点为起始位置，X代表活塞的行程，F代表所需的压缩力)，上述左、右端盖的内表面上还分别具有伸入各自定子线圈内的凸部，即左端盖凸部41a和右端盖凸部41b，各凸部的外周面为圆锥面，对应地，铁心6的两端面上分别具有和上述各凸部相匹配的凹部，即左凹部61a和右凹部61b，所述各凹部的内周面也呈相应的圆锥面；且在自然状态下，上述铁心6的两端分别部分伸入到左、右定子线圈内，以使各凹部与对应的凸部之间形成一定的空气间隙，当对应侧的定子线圈通电后，可使动子获得最小起动所需的磁吸力，并在动子的轴向运动过程中，凸部与凹部之间的相对距离将发生变化，此时的磁动力变化完全满足气体压缩时的压力特性曲线，使本压缩机的力特性与气体的压缩特性相一致。

在本实施例中，为了方便调节各气缸的余隙，在上动子的中心贯穿有一带位置传感器(图中未示)的限位键12，对应地，在机壳3上开有轴向的限位槽32，上述限位键12端部穿过限位槽32而外露于机壳3，并在自然状态下，限位键12处于该限位槽32的中部。通过调节位置传感器的位置，可快速地改变动子左右移动的幅度，进而可确保各活塞能移动到各自压缩气缸的底部，以减小余隙对运行性能的负面影响，并且，当位置传感器控制失效的情况下，又可借助于限位键与限位槽边沿的抵触，来有效地防止活塞撞击压缩气缸的缸底而具有防撞的功能，起到安全防护的作用。

本发明的工作原理及过程如下：

当左定子线圈5a通电，右定子线圈5b断电时，在机壳的左部形成一磁场，吸引动子在机壳3内向左边轴向移动，动子便带动左活塞8a向左移动，左活塞8a压缩左压缩气缸2a内的气体，即左压缩气缸2a进行排气动作，将被压缩的高压气体从左压缩气缸2a内排出。同时，动子带动右活塞8b也向左移动，右压缩气缸2b作吸气过程。当左活塞8a移动到极限位置时，位置传感器发出信号，使左定子线圈5a断电，右定子线圈5b通电，同理，左、右压缩气缸的动作过程刚好相反，即左压缩气缸2a进行吸气过程，右压缩气缸2b进行排气过程。在周需复始的工作过程中，动子在磁力线的作用下做强迫谐振运动，左、右压缩气缸轮流交替作吸、排气工况。

从上述工作原理分析可知，动子轴向来回运动所受到的磁吸力、磁路、负载等是完全对称的，因此该直线压缩机整体的工作效率高，耗能少。

还有，本直线压缩机在工作时，仅有气体在压缩时活塞在气缸内滑动的噪声，而没有传统压缩机的各自机械传动噪声，因此本实施例涉及的压缩机在运行过程中噪声比传统压缩机要低的多。

Claims (5)

1、一种直线压缩机，用于压缩气体，包括有直线电机总成(1)以及固定在直线电机总成(1)两端的左、右压缩气缸(2a、2b)；其中，所述的直线电机总成(1)包含有由机壳(3)和设置在机壳(3)两端的左、右端盖(4a、4b)围成的壳体，以及定位于壳体内的定子线圈和在定子线圈内作轴向运动的动子；所述动子左、右两端的主轴(9)分别贯穿左、右端盖(4a、4b)后与对应侧压缩气缸内的活塞(8a、8b)相固连，并在主轴(9)与相应端盖之间支承有直线轴承(10)；其特征在于：所述的定子线圈有两个，分别以机壳(3)为中心对称分布而形成结构相同的左、右定子线圈(5a、5b)，并在该左、右定子线圈(5a、5b)之间的机壳(3)内间隔固定有左、右环状磁路元件(7a、7b)；上述主轴之外的动子部分为铁心(6)，而在上述左、右端盖(4a、4b)的内表面上分别具有伸入各自定子线圈内的凸部，对应地，所述铁心(6)的两端面上分别具有与上述凸部相匹配的凹部，且在自然状态下，所述动子的两端分别部分伸入到左、右定子线圈(5a、5b)内，以使机壳(3)中心两侧分别形成由上述机壳(3)、对应侧端盖、动子(6)、对应的环状磁路元件构成的对称平衡的左、右磁路。

2、根据权利要求1所述的直线压缩机，其特征在于：所述的动子中心贯穿固定有一带位置传感器的限位键(12)，对应地，在所述机壳(3)上开有轴向的限位槽(32)，上述限位键(12)端部穿过限位槽(32)而外露于所述的机壳(3)，并在自然状态下，所述的限位键(12)处于该限位槽(32)的中部。

3、根据权利要求1或2所述的直线压缩机，其特征在于：所述各凸部的外周面为圆锥面，所述的各凹部的内周面也呈相应的圆锥面。

4、根据权利要求1或2所述的直线压缩机，其特征在于：所述的左、右环状磁路元件(7a、7b)上分别开多个定位孔(71a、71b)，对应地在机壳(3)的两端开有与各定位孔(71a、71b)相对应的穿孔(31)。

5、根据权利要求1或2所述的直线压缩机，其特征在于：所述的主轴(9)与对应的活塞之间通过万向节(11)相连接。

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