CN101741208A - 微型动磁激振器 - Google Patents

Abstract

一种微型动磁激振器，主要包括直线电机组件、压缩机组件和悬挂组件，直线电机组件包括同心的磁轭对、励磁线圈和永磁体环，永磁体环由环状的轴向充磁体和径向充磁体交替叠放构成；压缩机组件中的汽缸通过汽缸支架固定于磁轭对的中心环内，活塞位于汽缸内，磁轭对悬吊定位于汽缸支架上；悬挂组件为一板弹簧，板弹簧采用圆渐开线切割而成，其渐开线延伸至板弹簧外径，使板弹簧分成三个悬臂，相邻悬臂通过弹性压紧环联成一体，活塞底部固定于板弹簧的中心孔处。本发明通过板弹簧悬吊结构和磁轭定位方式，在装配时可灵活调整同轴度，降低了对零件的加工要求，使整个装置结构简单；改进了板弹簧的型线，使动磁激振器的稳定性更强，使用寿命更长。

Description

微型动磁激振器

技术领域

本发明涉及一种动磁激振器，它以较高频率、较小质量和体积运行，适用于微型动力机械(包括微型制冷及低温机械)，小型及微型起搏器及往复泵以及声学、低温生物和医学等领域中需要产生激励力的装置。

背景技术

能源紧缺和环保的严峻性迫切要求传统的热能动力工艺向无污染和可再生能源利用的方向发展，其中，可利用低品位热源、无或少运动部件的斯特林和热声技术是最有潜力的发展方向之一。在太阳能发电中，硅电池只能利用其光合作用合成的能量，而斯特林和热声技术则可以利用太阳能中的全部热量，这对提高太阳能的利用效率具有极其重要的意义；此外，常见的工业废热利用方法造价昂贵，利用效率低，而采用斯特林和热声技术则能有效地利用废热中蕴含的极高能量，并降低造价。而随着高温超导材料和高集成电路信息技术的发展，各种电器电子设备的功率密度和单位面积的热流密度急剧增加，迫切需要尺寸小，冷却能力强，可靠性高，且能对电子设备中需要降温的部件进行单独或集中冷却的微型制冷机。而微型斯特林和热声制冷机具有较高的频率，这对可再生能源的利用十分关键。此外，随着低温技术的迅速发展，制冷机在微型化、轻量化、集成化方面的需求日益增加。目前常用的低温制冷机如斯特林制冷机、脉管制冷机等在微型化的过程中均面临着一个重要的问题，即其外激励源的微型化。而目前常用的各种传统形式的压缩机等驱动装置的体积较大，已经难以满足微型机械轻量化的需求。为了解决在减小整机重量、体积的过程中使驱动装置的性能保持不变甚至提高，有必要研究开发一种新型高效的激振器取代目前常用的往复式活塞压缩机。

自20世纪70年代末英国牛津大学成功研制牛津型斯特林制冷机以来，采用线性直线电机为外激励源，结构简化，工作寿命长、可靠性高的现代斯特林制冷技术得到了重点的发展和广泛的关注。对于采用回热器作为能量转换和储存部件的斯特林和热声制冷机来说，其关键是回热器使直线压缩机中活塞与气缸只能用无油润滑，这要求二者之间有良好的同轴度，而这需要依靠精确的设计和加工工艺来保证，不仅增加了整机的造价，也使得其微型化的难度加大。因此，简化整机的设计和加工工艺，使其同轴度在装配中可调整将有效地加快斯特林和热声制冷机微型化的进程。

近年来，直线压缩机作为压力波发生器以其结构紧凑、效率高、寿命长的特点正逐渐取代传统的往复式压缩机。根据激振器中可动体的不同类型可以把直线压缩机分为动铁式、动圈式和动磁式三种。动铁式由于动子的质量较大，目前已经很少被采用。动圈式整机尺寸大，且质量较大，由于其动子线圈的往复运动，导致线圈中的引线易折断，因此只适用于对激振器尺寸要求不高的低频制冷机。动磁式激振器的磁体与活塞直接相连，线圈成为定子的一部分，简化了整机的设计和装配，减小了整机的体积和质量，可实现高频振荡且可靠性较高，因此被越来越多的应用于低温制冷机中。

经文献检索发现，公开号为CN201110257，名称为动磁激振器的专利申请，属于一种动磁式压缩机，其结构形式为在圆筒形外壳内装有柱状支吊弹簧、轭铁及其内部的线圈，气缸嵌入气缸法兰，气缸法兰和外壳对中配合，气缸内的活塞与活塞杆固定连接，穿过轭铁及其内部的线圈支承在柱状支吊弹簧中心。其特征是采用了两个轴向和一个径向充磁的永磁体作为永磁环，活塞及永磁环的间隙配合定位依靠柱状支吊弹簧以及气缸法兰。该发明通过布置新型永磁环形式来提高磁场强度，利用柱状支吊弹簧做悬挂结构，但支吊弹簧的径向刚度不够，无法满足高同轴度要求，使得活塞在运行中易偏离其中心位置，发生偏转而撞缸；此外，其整机同轴度不可调节，需要精确设计各部件尺寸，并保证合理的装配顺序和工艺，增加了加工和装配难度。

中国发明专利申请公开号CN1773112A提出一种动磁式直线压缩机，包括一直线电机组件，主要有同心组合结构的内外磁轭、动磁线圈、永磁体和电机动子托架，永磁体位于电动机动子托架上并处于由内外磁轭构成的磁场中。其特点是采用了新型型线的柔性板簧作为长臂悬挂结构及设置了压缩机的防撞缸机构。采用新型型线的柔性板簧虽然便于保证板簧的轴向位移，但是第一其渐开线延伸到接近板簧外延处就终止了，形成长臂的根部。板簧做轴向位移时，渐开线长臂绕其水平轴向扭转。当弹簧处在最大位移处时，根部的疲劳应力最大使得根部断裂。第二，采用在电机动子托架与内磁轭可能接触的平面上粘贴橡胶防撞片的防撞缸机构，事先要对各个零件的尺寸进行合理的设计，才能保证电机动子托架与内磁轭之间形成的间隙的距离在平衡位置时等于活塞的压缩行程。第三，长臂的扭转必定使板簧的垂直轴发生摆动，因此，整机的同轴度仅仅依靠设计尺寸和加工的精确度是很难得到保证的。

发明内容

本发明针对现有技术的不足和缺陷，提出了一种微型动磁激振器，通过板弹簧悬吊结构和磁轭定位方式，在装配时可灵活调整同轴度，降低了对零件的加工要求，使整个装置结构简单；改进了板弹簧的型线，使动磁激振器的稳定性更强，使用寿命更长。

微型动磁激振器，包括机壳40和安放于其内的直线电机组件10、压缩机组件20、悬挂组件30；

直线电机组件10包括具有同心结构的磁轭对、励磁线圈13和永磁体环，给励磁线圈13通电，激励磁轭对产生磁场，永磁体环位于磁轭对产生的磁场中，永磁体环由环状的轴向充磁体和径向充磁体交替叠放构成；

压缩机组件20包括汽缸21、汽缸支架22和活塞，汽缸21通过汽缸支架22固定于磁轭对的中心环内，活塞位于汽缸21内，磁轭对悬吊定位于汽缸支架22上；

悬挂组件30包括位于汽缸21上方固定于机壳40内壁上的板弹簧31，板弹簧31采用圆渐开线切割而成，其渐开线延伸至板弹簧外径，使板弹簧分成三个悬臂，相邻悬臂通过弹性压紧环联成一体；活塞底部固定于板弹簧31的中心孔处；

机壳40的顶端中心处开有进气阀44，汽缸21底部中心开有排气阀45。

本发明的技术效果体现在：1、磁路结构由轴向和径向充磁的中空永磁体环交替叠放构成，这种结构既能更好地发挥銣铁硼材料的高矫顽力，又能有效地减少施加在动子上的残留的非平衡横向力，降低动子相对于中心纵轴的机械偏心，使磁通量集中于中心区域，最大限度地发挥励磁线圈的有用功，减少漏磁损失，提高磁场强度梯度。因此，采用这种结构，不仅使整个装置耗费较少的材料，体积更小，质量更轻，更重要的是可以提高激振器输出力常数，有效改善激振器的性能。2、采用柔性板弹簧悬吊活塞，并用汽缸支架悬挂上下磁轭，在装配时通过监测励磁线圈中的最小电流，寻找磁轭的最优装配方位，保证活塞杆和汽缸在运行中的同轴度，并用激光固化工艺来固定，使在加工和装配中出现的同轴误差传递，在装配时得到调整和补偿，使同轴度不再只依赖于加工精度。3、对板弹簧的型线进行了改进，使其渐开线一直延伸至板弹簧的外径上，将板弹簧分成三块悬臂，以躲避疲劳截面和应力集中点。4、在机座与上、下磁轭之间的空隙中填入由弹性材料制成的压紧环，利用弹性材料吸收激振器在运行时电机组件、压缩机组件、悬吊组件与机壳的振动能量，保持同轴度不变。5、采用板弹簧做动子的支吊架，把励磁线圈置于磁轭内，把永磁体环置于活塞和汽缸之间，可极大地减少整机尺寸和质量，实现薄型磁阻电机的目的。6、可根据功率及使用场所灵活布置永磁体环，放大尺寸用于中小型斯特林和热声制冷机中，或组合成大功率的级联管，使其适应性广泛，不仅可用于光电子技术、超导技术和空间远程通讯技术中的微型制冷机，还可应用于心脏起搏器、医用制氧系统和医用冰箱中，同时还可与可再生能源相结合作为新型的驱动装置如太阳能热声发动机、制冷机等。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的一个实施例示意图。

图3是本发明的永磁体布置示意图。

图4是本发明的柔性板弹簧型线示意图。

图5是本发明的另一个实施例示意图。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明动磁式激振器包括：直线电机组件10、压缩机组件20、悬挂组件30和机壳40。

直线电机组件10包括：轴向充磁永磁体11，径向充磁永磁体12，励磁线圈13，上磁轭14，下磁轭15，如图3所示。永磁体由銣铁硼材料制成，采用六片或八片平行取向的扇形永磁体块拼接而成的准辐射取向的磁路结构，粘接在活塞杆23上，励磁线圈13呈环状镶嵌在上磁轭14与下磁轭15形成的凹槽内，轴向永磁体11、径向永磁体12、线圈13与上磁轭14、下磁轭15共同形成完整的磁路。

压缩机组件20包括汽缸21，汽缸支架22，活塞杆23，活塞头24，如图2所示。由活塞杆23和活塞头24构成的活塞采用无磁钢材料制成，为一体结构，以减少同心误差传递，并需保证装配时与汽缸留有一定的间隙，汽缸支架22与汽缸为一体，并成锐角相交，用以悬挂上磁轭14与下磁轭15，当装配完悬吊组件30及活塞杆23与永磁体11和12后，给励磁线圈13通以低电压、低频率交流电，在磁场作用下，永磁体11、12带动活塞杆23往复运动，当活塞杆23运行顺畅与汽缸21无碰撞时，通过励磁线圈的电流最小，此时用激光固化工艺将上磁轭14、下磁轭15定位在汽缸支架22上，保证活塞杆23和汽缸21的同轴同心。

悬挂组件30包括柔性板弹簧31，板弹簧支架32及活塞杆铆接片33。图图4所示，柔性板弹簧采用圆渐开线切割而成，其渐开线延伸至板弹簧外径，使板弹簧分成三个悬臂，通过弹性压紧环联成一体。在整机装配后通过较低温度的钎焊，将各部件位置固定。板弹簧与板弹簧支架采用弹簧钢或铍青铜材料制成，并要进行退火处理，以保证有足够的强度。机壳40包括机座41、压紧环42、支撑凸台43、及安装在机座41上的进气阀44和汽缸21出口上的排气阀45。板弹簧支架32装在机壳底部的支撑凸台43上，活塞杆23从板弹簧31的中心孔穿过，通过活塞头铆接片33与板弹簧31联结固定。当电机组件10、压缩机组件20、悬挂组件30装配完毕后，在机座41与上磁轭14、下磁轭15之间的空隙中填入由弹性材料制成的压紧环42，通过弹性材料的自由伸缩，可保证激振器在运行时的电机组件10、压缩机组件20、悬吊组件30与机壳40保持同轴同心，不发生撞缸事件。

图5是本发明的另一个实施例示意图，适于在大功率的场所使用。直线电机组件10包括：轴向充磁永磁体11，径向充磁永磁体12，励磁线圈13，内磁轭14，外磁轭15，动磁支架16，动磁支架支撑块17及非导磁环板18。永磁体采用六片或八片分块粘接在动磁支架16上，动磁支架16焊接在活塞杆23上，再用动磁支架支撑块17进行固定。励磁线圈13呈环状镶嵌在内磁轭14的凹槽内，外磁轭15固定在机座上41上，与机座41共同组成机壳的一部分。内磁轭14与外磁轭15通过非导磁环板18相连接。轴向永磁体11、径向永磁体12、线圈13与内磁轭14、外磁轭15共同形成完整的磁路。压缩机组件20包括汽缸21，汽缸支架22，活塞杆23，活塞头24，活塞杆23和活塞头24采用无磁钢材料制成，为一体结构，以减少同心误差传递，并需保证加工时与汽缸留有一定的间隙，汽缸支架22与汽缸为一体，并导成圆角，用以悬挂内磁轭14，当装配完悬吊组件30及活塞杆23与永磁体11和12后，给励磁线圈13通以低电压、低频率交流电，在磁场作用下，永磁体11、12带动活塞杆23往复运动，当活塞杆23运行顺畅与汽缸21无碰撞时，通过励磁线圈的电流最小，此时用激光固化方式将内磁轭14定位在汽缸支架22上，再用焊接方式进行固定，保证活塞杆23和汽缸21的同轴同心。悬挂组件30包括柔性板弹簧31，板弹簧支架32及活塞头铆接片33。柔性板弹簧采用圆渐开线切割而成，渐开线延伸至外圆底部，上下两片对齐后分别与与板弹簧支架用铆接方式固定在一起，板弹簧与板弹簧支架采用弹簧钢或铍青铜材料制成，并要进行退火处理，以保证有足够的强度。板弹簧支架装在机壳底部的支撑凸台42上，活塞杆23从板弹簧31的中心孔穿过，通过活塞杆铆接片33与板弹簧31联结固定。机壳40包括机座41、支撑凸台42、及安装在机座41上的进气阀43和汽缸21出口上的排气阀44。

Claims (5)

1.微型动磁激振器，包括机壳(40)和安放于其内的直线电机组件(10)、压缩机组件(20)、悬挂组件(30)，其特征在于；

直线电机组件(10)包括具有同心结构的磁轭对、励磁线圈(13)和永磁体环，给励磁线圈(13)通电，激励磁轭对产生磁场，永磁体环位于磁轭对产生的磁场中，永磁体环由环状的轴向充磁体和径向充磁体交替叠放构成；

压缩机组件(20)包括汽缸(21)、汽缸支架(22)和活塞，汽缸(21)通过汽缸支架(22)固定于磁轭对的中心环内，活塞位于汽缸(21)内，磁轭对悬吊定位于汽缸支架(22)上；

悬挂组件(30)包括位于汽缸(21)上方固定于机壳(40)内壁上的板弹簧(31)，板弹簧(31)采用圆渐开线切割而成，其渐开线延伸至板弹簧外径，使板弹簧分成三个悬臂，相邻悬臂通过弹性压紧环联成一体；活塞底部固定于板弹簧(31)的中心孔处；

机壳(40)的顶端中心处开有进气阀(44)，汽缸(21)底部中心开有排气阀(45)。

2.根据权利要求1所述的微型动磁激振器，其特征在于，所述磁轭对包括上磁轭和下磁轭，励磁线圈(13)镶嵌于上下磁轭之间的凹槽内，永磁体环位于活塞和汽缸(21)之间。

3.根据权利要求1所述的微型动磁激振器，其特征在于，所述磁轭对包括内磁轭和外磁轭，励磁线圈(13)安放于内磁轭上，永磁体环位于内外磁轭之间。

4.根据权利要求1或2或3所述的微型动磁激振器，其特征在于，在机壳与磁轭对间的空隙中填放有弹性压紧环。

5.根据权利要求1或2或3所述的微型动磁激振器，其特征在于，永磁体环至少由两个环状的轴向充磁体和两个环状的径向充磁体交替叠放构成。

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