CN101835981A - 往复式压缩机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种活塞在汽缸内线性地往复运动以将制冷剂吸入到压缩空间内并压缩和排放制冷剂的往复式压缩机，尤其涉及这样一种往复式压缩机，该往复式压缩机可通过由板簧连接固定构件和可移动构件、具有包括环绕内部定子的多个模块的外部定子以及改变每个模块的下磁极的长度，来将所需用以将电力施加到马达(线圈部分)的逆变器开关的数量减小为一个。

Description

往复式压缩机
技术领域
本发明涉及一种活塞在汽缸内线性地往复运动以将制冷剂吸入到压缩空间内并压缩和排放制冷剂的往复式压缩机，尤其涉及这样一种往复式压缩机，该往复式压缩机可通过由板簧(plate spring)连接固定构件和可移动构件、具有包括环绕内部定子的多个模块的外部定子以及改变每个模块的下磁极(lower pole)的长度，来将所需用以将电力施加到马达(线圈部分)的逆变器开关的数量减小为一个。
背景技术
通常，压缩机是一种通过从电力产生设备(如电动机或涡轮机)接收电力来压缩空气、制冷剂或其它多种工作气体并提高其压力的机械设备。压缩机已被广泛用于家用电器(例如冰箱和空调)或整个工业中。
压缩机大体上被分为往复式压缩机、旋转式压缩机以及涡旋式压缩机，其中：在该往复式压缩机中，在活塞和汽缸之间形成用于吸入或排出工作气体的压缩空间，并且活塞在汽缸内线性地往复运动以压缩制冷剂；在该旋转式压缩机中，在偏心旋转辊和汽缸之间形成用于吸入或排出工作气体的压缩空间，并且该辊沿着汽缸的内壁偏心地旋转以压缩制冷剂；在该涡旋式压缩机中，在动涡旋盘与静涡旋盘之间形成用于吸入或排出工作气体的压缩空间，并且动涡旋盘沿着静涡旋盘旋转以压缩制冷剂。
近来，在往复式压缩机中已经广泛地研制出一种线性压缩机，该线性压缩机可以通过将活塞直接连接到线性往复运动的驱动马达来提高压缩效率并简化整个结构，而不会由于运动的转换导致机械损耗。
图1为用于概念性地解释传统往复式压缩机的视图。其中包括供压缩和膨胀之用的汽缸4以及设置在汽缸内并能够往复运动的活塞6。汽缸4包括排出阀24，该排出阀24根据汽缸4中的压缩空间的压力而打开和关闭。往复式压缩机包括用于提供压缩所需电力的马达10。马达包括内部定子12、外部定子14以及永磁体16，其中该内部定子12通过在圆周方向上层压(laminate)多个层压物而形成并安装在汽缸4外，该外部定子14具有形成在其中的线圈缠绕体14a并安装在汽缸4外且与内部定子12有预定间隙，该永磁体16位于内部定子12和外部定子14之间的间隙处并连接到活塞6。后盖(back cover)2通过弹簧5(优选螺旋弹簧)连接到活塞6的一个表面和汽缸4。
在往复运动的马达10中，当电流被施加到线圈缠绕体14a以产生电磁力时，永磁体16通过电磁力和永磁体16之间的交感(interaction)而线性地往复运动，并且连接到永磁体16的活塞6在汽缸4内线性地往复运动。
图2为示出用于将电力施加到传统往复式压缩机的马达的电路图的视图。该电路图包括由逆变器开关S1到S4控制的DC供电单元22，该DC供电单元22用于将家用或工业使用的AC电力(未示出)进行整流并将其转换成DC。尽管包括用于将AC电力进行整流的整流器部分和用于稳定所整流的电力的DC连接(limk)部分，但是将它们省略。
由整流器部分(未示出)和DC连接部分(未示出)进行控制的DC电力通过逆变器开关S1到S4被转换成具有适当幅度和频率的AC电力，并且AC电力Vm被施加到马达(图1的10)。然而，这种供电设备采用不少于四个开关，从而造价并不便宜并且供电设备变得复杂。
图3为示出传统往复式压缩机的运行的曲线图以及示出往复式压缩机的建模的视图。
当没有电力被施加到马达(图1的10)且没有向其施加外力时，活塞6的顶部(head)和汽缸构成压缩空间的一个表面之间的距离(在下文中称作初始值)由Xi表示。活塞6的顶部和汽缸构成压缩空间的一个表面距离最近的一点被称作上死点(top dead center)或上死区点(top dead point)，活塞6的顶部和汽缸构成压缩空间的一个表面距离最远的一点被称作下死点(bottom dead center)或下死区点(bottom dead point)。活塞6被设置在汽缸4内从而可以往复运动。活塞的质量为m，用于将活塞6连接到与汽缸连接的后盖(图1的2)的弹簧的弹性系数为k，并且阻抗常数为Cf。ΔP为制冷设备的制冷循环中的排出压力和吸入压力之间的差。ΔP·As为由于排出压力和吸入压力之间的差而移动活塞6的力，其可被建模成气体弹簧(gasspring)。为了提高效率的目的，上死点优选为汽缸4的一个表面。即，在上死点处优选Xi＝0。当没有电力被施加到马达10且没有向其施加其它外力时，活塞6位于上死点和下死点的中间。
传统往复式压缩机的一个循环的运行如下。如果假设活塞6从C开始，则Xi为最大且排出阀(未示出)处于关闭状态。当活塞6移动且Xi减小时，压力增加到足以打开排出阀的一个水平(D)。当排出阀(未示出)被打开时，排放压缩流体(制冷剂)，压力不变，并且活塞的一个表面移动直到Xi＝0(A)为止。在完成压缩至上死点时，活塞6在相反方向上移动。如果Xi增大，则压缩空间的容量变大，并且Xi增加到大于预定值，则排出阀关闭。如果在排出阀关闭的状态下执行吸入过程，则Xi增加，从而压力减小并返回到其初始位置C，因此完成一个循环(cycle)。
在这种往复式压缩机中，用于向马达提供电力的供电单元(供电设备)采用了不少于四个开关，因此造价并不便宜并且供电设备复杂且不易控制。
发明内容
技术问题
因此，本发明的一个目的是通过具有一种供电设备(其具有逆变器开关单元的数量减少的开关)来提供一种容易控制且制造成本低廉的往复式压缩机。
本发明的另一个目的是提供这样一种往复式压缩机，在该往复式压缩机中固定构件和可移动构件通过板簧进行连接以使能够通过一个逆变器开关进行控制，马达的外部定子包括各个模块，并且多个模块的上磁极(upperpole)的长度不同。
技术方案
根据本发明的一种往复式压缩机包括：可移动构件，包含活塞；汽缸；固定构件，设置在所述汽缸中且包含用于使所述活塞往复运动的马达；一个或多个弹簧，提供动力以将所述可移动构件从上死点驱动到下死点，所述弹簧的一部分被固定到所述可移动构件，并且所述弹簧的另一部分被固定到所述固定构件；以及壳体，包围所述可移动构件、固定构件以及弹簧，所述马达包括：内部定子，通过在圆周方向上绝缘地堆叠多个磁心模块(core block)而形成；外部定子，具有线圈缠绕体，并且包括以预定间隔环绕所述内部定子的多个模块(block)，每个模块包括在圆周方向上形成的线圈以及通过极尖(pole tip)分隔开的上磁极和下磁极；并且各相邻模块的所述上磁极和下磁极的长度不同；以及一个或多个永磁体，保持所述内部定子和所述外部定子之间的间隙，并且通过相互电磁力而线性地往复运动。
优选地，所述马达中彼此相对的所述模块的所述上磁极的长度恒定。
优选地，每个模块的所述极尖的长度均相同。
优选地，每个模块的所述上磁极的长度随着圆心角(central angle)的变化而呈现正弦函数的形式。
优选地，所述往复式压缩机进一步包括控制单元，该控制单元用于控制逆变器开关，以向所述马达施加电压。
优选地，在所述压缩机的初始状态中，所述活塞位于所述下死点处。
优选地，当所述可移动构件被从所述上死点向所述下死点驱动时，所述控制单元通过弹簧驱动所述可移动构件而并未向所述马达施加电力。
优选地，当所述可移动构件被从所述下死点向所述上死点驱动时，所述控制单元通过向所述马达施加电力(power)而由所述马达驱动所述可移动构件。
有益效果
因此，本发明可以通过具有一种供电设备(其具有逆变器开关单元的数量减少的开关)来提供一种容易控制且制造成本低廉的往复式压缩机。
另外，通过由板簧连接固定构件和可移动构件以使能够通过一个逆变器开关进行控制，具有由各个模块构成的马达的外部定子，以及改变相邻模块的上磁极的长度，本发明可以允许可移动构件执行稳定的线性往复运动。
附图说明
图1为用于概念性地解释传统往复式压缩机的视图；
图2为示出用于将电力施加到传统往复式压缩机的马达的电路图的视图；
图3为示出传统往复式压缩机的运行的曲线图以及示出该往复式压缩机的建模的视图；
图4为示出用于将电力施加到根据本发明的往复式压缩机的马达的电路图的视图；
图5为用于概念性地解释根据本发明的往复式压缩机的可移动构件和驱动构件的视图；
图6为示出根据本发明的往复式压缩机的外部定子和内部定子的一个实例的视图；以及
图7为示出外部定子的每个模块中极尖位置的一个实例的视图。
具体实施方式
在下文中，将参考本发明的实施例和附图具体描述本发明。
图4为示出用于将电力施加到根据本发明的往复式压缩机的马达的电路图的视图。其中包括由逆变器开关S控制的DC供电单元22，该DC供电单元22用于将家用或工业使用的AC电力(未示出)进行整流并将其转换成DC。控制单元(未示出)将用于将家用或工业使用的AC电力(未示出)控制成为往复式压缩机所需的AC电力。将受控的电力提供给马达201。在如此配置的电路图中，在电力被施加到马达的情况下，逆变器开关的数量减少，从而使得控制更容易并使得制造成本更低廉。
在图3的上部所示的曲线图中，可以看出：由于体积因压缩而减小，从而从热力学的观点来看在从C经由D到A的压缩步骤中必须对气体执行作业(task)；且从热力学的观点来看在从A经由B到C的吸入步骤中由气体对活塞执行作业。因此，在压缩步骤中根据本发明的往复式压缩机通过提供电力来移动活塞，且在吸入步骤中通过其它动力来移动活塞，而不提供电力。在下文中将通过用于概念性地解释可移动构件和驱动构件的附图来对其它动力做出解释。
图5为用于概念性地解释根据本发明的往复式压缩机的可移动构件和驱动构件的视图。汽缸4、设置在汽缸内并能够往复运动的活塞6、以及排出阀24与图1中的相同。
在根据本发明的往复式压缩机中，当在压缩步骤中活塞6通过动力进行移动以将活塞6从下死点移动到上死点时，在吸入步骤中活塞6通过弹簧的恢复力进行移动而不需驱动马达，以将活塞6从上死点移动到下死点。与传统的往复式压缩机中类似，如果后盖(图1中的2)和活塞(图1中的6)通过压缩型螺旋弹簧(coil spring)(图1中的5)进行连接，则当将活塞从上死点移动到下死点时不能获得驱动力。因此，弹簧的结构需要改变。
为了在吸入步骤中通过弹簧将后盖(图1中的2)和活塞(图1中的6)进行连接且移动活塞而并不驱动马达，当将活塞从上死点移动到下死点时需要恢复力。因此可以使用像拉伸弹簧、板簧等这样的弹簧。拉伸弹簧需要用于支撑该拉伸弹簧的分立装置，并且由于这样会使得装配困难，因而将板簧5a用于将在下文中描述的实例中。然而，板簧5a仅为一个实例，但是在将活塞从上死点移动到下死点时产生恢复力的任意弹簧均是可以的。
在吸入步骤中为了将活塞6从上死点移动到下死点，活塞6必须仅通过板簧5a的恢复力进行移动而并不驱动马达。由于活塞6必须仅通过板簧的恢复力从上死点移动到下死点，所以如果没有电力被施加到马达10并且没有对其施加其它外力，则活塞6被设计成位于下死点处。为此，与图1中不同，活塞6的一个表面和连接到马达10的支撑部件18通过板簧5a而连接，并且当活塞6向上死点移动时，通过板簧5a产生朝向下死点的恢复力。
在由此构造的往复式压缩机中，由于在吸入步骤中活塞6仅通过板簧5a的恢复力进行移动而并未驱动马达，以将活塞6从上死点移动到下死点，所以如果没有电力被施加到马达并且没有对其施加外力(在下文中称为初始状态)，则活塞6由于板簧5a的恢复力而位于下死点处。
在马达10中，内部定子12和永磁体16与图1中的相同，但是具有线圈缠绕体14a形成在其中的外部定子14的构造与图1中的构造不同。当从汽缸4侧观察时，外部定子14包括设置在上死点附近的上磁极15a和设置在下死点附近的下磁极15b。上磁极15a和下磁极15b之间的间隙被称作极尖(pole tip)15c。
如果外部定子14的上磁极15a、下磁极15b以及极尖15c的长度均相同，则产生了一个问题。由于活塞6从下死点到达上死点并返回到下死点，从而由于这是吸入步骤而没有施加电力。然而，磁场瞬时保持，并且永磁体16的中心被激励(encourage)以通过残余的磁场而移动到上磁极15a的中心。一般而言，在往复式压缩机中，为了效率的目的而使活塞距离上死点足够近以使活塞4的一个表面接触排出阀24。然而，由于永磁体16被传动(gear)以移动上磁极15a的中心，从而产生碰撞，并且活塞向上死点移动的比预期的往复距离远的多。为此原因，如果上磁极15a、下磁极15b以及极尖15c的长度均相同，则不能完成控制。为了解决此问题，外部定子14的结构需要改变。
图6为示出根据本发明的往复式压缩机的外部定子和内部定子的一个实例的视图。圆柱形的内部定子12被设置在中间，并且包括八个模块的外部定子14环绕内部定子12。外部定子14的每个模块包括一个线圈(未示出)。在往复式压缩机中，永磁体能够往复运动地设置在内部定子12和外部定子14之间。外部定子14的结构不是以单圆柱形式(single cylindrical form)形成，而是以多个模块形成的。通过以多个模块构成外部定子，从而通过改变每个模块的上磁极(图2b的15a)、下磁极(图2b的15b)以及极尖(图2b的15c)的长度，便可以解决之前提到的活塞到达上死点时不可控的问题。也就是说，上磁极15a、下磁极15b以及极尖15c的长度均相同，这产生了死区(其中不存在上磁极和下磁极)。由于此原因，如果活塞到达下死点时没有施加电力，则磁场瞬时保持，并且永磁体的中心被激励以通过残余的磁场移动到上磁极15a的中心，从而导致不可控。如果外部定子如同图6那样配置，并且每个模块的上磁极和下磁极的长度不同，则不存在死区，从而消除了不可控的现象。
图7为示出外部定子的每个模块中极尖位置的一个实例的视图。如果假设极尖的长度相同，则上磁极和下磁极的长度根据极尖的位置而彼此不同。为了通过防止死区的产生而能够进行控制，至少相邻的模块的上磁极和下磁极的长度应该彼此不同。
在示出的附图中，在图6中示出的包括八个模块的外部定子中，每个模块以45°的间隔安装，并且如图7所示，极尖的位置随着圆心角的变化而相对于某一基准呈现正弦(sine)函数的形式。在具有这一外部定子的马达中，马达中的彼此相对的模块的上磁极的长度和恒定。为了消除死区，如果使构成外部定子的多个模块中每个模块的极尖的位置不同，则使得能够进行控制，但是由于极尖的位置变化从而磁通量不对称，因此导致效率降低。为了防止由于磁通量的不对称导致的效率降低，配置模块从而使得极尖的位置相对于某一位置呈现为正弦波。
然而，应当认识到本发明的范围不应限于这些实施例和附图，而应限定在下文中所述的权利要求中。

Claims (11)

1.一种往复式压缩机，包括：可移动构件，包含活塞；汽缸；固定构件，设置在所述汽缸中且包含用于使所述活塞往复运动的马达；一个或多个弹簧，提供动力以将所述可移动构件从上死点驱动到下死点，所述弹簧的一部分被固定到所述可移动构件，并且所述弹簧的另一部分被固定到所述固定构件；以及壳体，包围所述可移动构件、所述固定构件以及所述弹簧；
所述马达包括：
内部定子，通过在圆周方向上绝缘地堆叠多个磁心模块而形成；
外部定子，具有线圈缠绕体，并且包括以预定间隔环绕所述内部定子的多个模块，每个模块包括在圆周方向上形成的线圈以及通过极尖分隔开的上磁极和下磁极；并且各相邻模块的所述上磁极和下磁极的长度不同；以及
一个或多个永磁体，保持所述内部定子和所述外部定子之间的间隙，并且通过相互电磁力而线性地往复运动。
2.根据权利要求1所述的往复式压缩机，其中所述马达中彼此相对的所述模块的所述上磁极或所述下磁极的长度和恒定。
3.根据权利要求1或2所述的往复式压缩机，其中每个模块的所述极尖的长度均相同。
4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的往复式压缩机，其中随着圆心角的变化，所述马达的每个模块的所述上磁极或下磁极具有与正弦函数形式相对应的长度。
5.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的往复式压缩机，其中所述马达的每个模块的相邻极尖的位置彼此不同。
6.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的往复式压缩机，其中随着圆心角的变化，所述马达的每个模块的所述极尖的位置呈现正弦函数的形式。
7.根据权利要求1至6中任一权利要求所述的往复式压缩机，进一步包括控制单元，用于控制逆变器开关，以向所述马达施加电压。
8.根据权利要求1至7中任一权利要求所述的往复式压缩机，其中在所述压缩机的初始状态中，所述活塞位于所述下死点处。
9.根据权利要求8所述的往复式压缩机，其中当所述可移动构件被从所述上死点向所述下死点驱动时，所述可移动构件通过弹簧而移动。
10.根据权利要求9所述的往复式压缩机，其中所述弹簧为板簧。
11.根据权利要求8至10中任一权利要求所述的往复式压缩机，其中当所述可移动构件被从所述下死点向所述上死点驱动时，所述控制单元通过向所述马达施加电力而由所述马达驱动所述可移动构件。
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