CN102349222A - 电动式直线振荡电动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电动式直线振荡电动机，其具有磁隙中的力密度高、效率高、振荡系统可磁性复位到中心位置且振荡系统重量较轻等特点。所述直线振荡电动机由一配有至少一个磁体的定子系统和一可动地安装在所述定子的磁场中的振荡系统构成。其中，所述振荡系统包括至少一个由一软磁材料构成的磁芯和至少一个激励线圈，所述软磁材料优选为软铁、电机硅钢或软磁结构钢。本发明的电动式直线电动机基本上将已知的MC直线电动机和MM直线电动机的优点集于一身，其电动转换率可达99％。所述直线振荡电动机可以用作低功率制冷设备和空调设备的驱动装置，汽车泵送系统和喷油系统的驱动装置，在基于电动可逆原理实施为发电机时还可应用于汽车减振系统。

Description

电动式直线振荡电动机

技术领域

本发明涉及一种电动式直线振荡电动机，其具有磁隙中的力密度高、振荡系统可磁性复位到中心位置且振荡系统重量较轻等特点。所述电动机的电动转换率可达99％。所述直线振荡电动机特别适合在低功率的制冷设备和空调设备以及汽车工程的泵送系统、喷油系统及减振系统中用作驱动装置。

背景技术

家用低功率制冷设备和空调设备主要采用活塞式压缩机。出于经济性考虑，只有驱动功率高达好几千瓦的设备才会采用旋转式压缩机，例如涡旋式压缩机。

活塞式压缩机由通常情况下产生旋转运动的电动机驱动。需要设置相应的曲柄机构来将该旋转运动转换为活塞式压缩机工作所需的平移运动。为此可以采用其活塞的摩擦力通过衬套而消减的曲柄滑环机构，而不必像其他曲柄机构那样设置复杂的十字头装置。这样虽能提高驱动装置的耐磨性和使用寿命，但这类系统的效率较低(低于50％)，因为约有80％的总摩擦力形成在曲柄机构(曲柄滑环机构)中。

近年来活塞式压缩机也采用了线性直接驱动装置。出于成本方面的考虑，家用制冷设备主要采用电磁直线电动机(Maxwell电动机)。此外根据现有的直线驱动技术，还可以用配有动磁(MM：Moving Magnet)或动圈(MC：Moving coil)的电动式直线电动机来驱动用于产生极低温度的气体制冷机。

Maxwell电动机的工作原理是将磁场能量最小化，当电流经过线圈时，一软磁磁芯被拉进该线圈。根据该原理，电压降低后需要用能产生力的元件(优选弹簧)来实现复位。由于磁芯被拉进线圈时不受所施加电压的极性影响，因此，该电动机磁芯在50Hz工作电压条件下会以100Hz的频率振荡。为此就必须采用弹簧刚度较大的弹簧来适应这种振荡动力特性。如果用直线电动机驱动活塞式压缩机，弹簧内所储存的能量就无法完全应用于压缩机的抽吸过程，其中很大一部分能量会在撞击下止点的过程中损失掉。

电动式直线电动机能够显著提高转换效率(根据不同的功率等级相应提高到60％至99％)。这类电动机由大小和方向与流经电流的方向和强度有关的洛伦兹力驱动；亦即，可以直接通过交流电压来控制这类电动机。

MC电动机的优点是可以在定子电路中设置较大的永磁体，这样就可以在磁隙中实现较大磁通密度，进而实现较大的驱动力。因此，MC电动机非常适用于只需较低速度就能产生较大作用力的活塞式压缩机。但是，MC电动机上无法进行磁性复位。此外还需要设置可动的供电线，不过可以采用耐疲劳设计来有效克服这个缺点。

DE 10 2004 010 403A1、WO 2008/046849A1和JP 2002031054A揭示的都是用作活塞式压缩机驱动装置的MM直线电动机。MM直线电动机的优点是，振荡器在磁阻力(磁场能量最小化原理)的作用下复位到中心位置，因而无需设置机械式复位元件，例如弹簧。而且也不需要设置可动的供电线。但是，MM直线电动机具有电动机磁隙中的磁通密度较小这一缺点，因为为了不影响振荡系统的动力特性，必须尽量减小永磁体的体积和重量。这样就只能产生很小的驱动力。虽然可以通过加大振荡系统的速度来加以补偿，但在用作活塞式压缩机驱动装置的情况下，这种措施并不合适。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的这些缺点。特定而言，本发明的目的是提供一种电动式直线振荡电动机，其具有磁隙中的力密度高、振荡系统可磁性复位到中心位置且振荡系统重量较轻等特点。所述直线振荡电动机可在振荡系统的速度较低的情况下实现较大的驱动力。

本发明用以达成上述目的的解决方案为本案权利要求1的区别特征。本发明的有利实施方案和应用由权利要求2至12给出。

本发明涉及一种电动式直线振荡电动机，包括至少一个位于定子系统中的磁体和一振荡系统，其振荡系统可动地安装在所述定子的磁场中。

根据本发明，所述电动机的振荡系统包括至少一个磁芯和至少一个线圈，所述磁芯由软铁、电机硅钢或软磁结构钢等软磁材料构成。

与已知的MC电动机类似，本发明电动式直线振荡电动机中定子系统的磁体具有较大的几何尺寸且剩磁和矫顽场强均较大，这就可以在电动机磁隙中实现较高的磁通密度。因此，所述电动机能以较强的驱动力且在振荡系统的速度较低的情况下工作。

由于本发明的直线电动机的振荡系统包括一个由软磁材料构成的磁芯，因而振荡器会在磁阻力的作用下复位到中心位置；亦即，无需设置机械式复位元件(弹簧)，这一点与MC直线电动机相同。

所述直线电动机的振荡系统的磁芯的质量原则上可以明显小于MM电动机中相应的永磁体；但是，上述由所述磁芯和至少一个线圈构成的振荡系统的重量比MC电动机的插入式线圈大。

由此可见，本发明的电动式直线电动机基本上将已知的MC直线电动机和MM直线电动机的优点集于一身。

根据一种优选实施方案，所述定子系统实施为一沿轴向磁化的环盘形磁体，其两端面分别设有一个由软磁材料构成的环形极片。所述极片的内外径要么等于所述环盘形磁体的内外径，要么所述极片的内径小于所述永磁体的内径(其目的例如为：使磁隙与磁芯直径相配，或者集中磁通或者少布置一个线圈)。所述振荡系统同心布置且以可沿轴向运动的方式安装在所述定子系统内部。所述振荡系统由一软磁磁芯构成，该磁芯上以某种方式缠绕有两个单独的激励线圈，使得当所述振荡系统位于其中心位置时，所述线圈分别位于一个由所述极片与所述盘形磁体所形成的磁隙中。其中，这两个激励线圈的绕线方向相反，这就将磁隙中磁通的方向考虑在内并且达到在电动机工作期间使作用于所述线圈的洛伦兹力累加的目的。

所述振荡系统的磁芯优选呈圆柱形，其中，所述由所述磁芯和所述两个缠绕在该磁芯上的线圈所构成的振荡系统的外径小于所述极片的内径。

本发明直线电动机的效率超过90％，具体情况视其尺寸/功率而定。

作为驱动电动机，本发明的直线振荡电动机既非常适合用于驱动制冷设备和空调设备中的活塞式压缩机，也非常适合用来驱动用于产生极低温度的气体制冷机中的单活塞或双活塞式直线压缩机。

此外，所述电动机还可有利地应用为汽车工程中用于输送燃油、机油、冷却水或液压液的泵的驱动电动机。所述直线振荡电动机的启动速度很快，因而也可用来控制内燃机中的喷油过程。为此，可将所有的机械阀都换成由直线振荡电动机控制的阀，将凸轮轴控制装置换成纯电子式的凸轮轴控制装置。

基于电动驱动的可逆性原理，本发明的直线振荡电动机也能以直线发电机模式工作，特别是利用行程小但作用力大的驱动系统(例如自由活塞式斯特林电动机)来产生电能的直线发电机。

所述直线振荡电动机作为发电机时的另一种应用是为汽车的独立悬架减振。可以通过施加在所述振荡系统的线圈上的电负荷来调节减振强度。

无论是电动机模式还是发电机模式，所述定子系统均可有利地配置一电磁体，这样就可通过影响定子磁场的强度来对独立悬架的减振情况进行进一步调节。所产生的电能以脉冲形式输出时电压值波动很大，可以用一个带下游变换器的整流器对该电能进行调节，而后再将其输入汽车的车载电网。

附图说明

下文将借助一个用于常规小型制冷压缩机的实施例对本发明进行详细说明，其中：

图1为一直线振荡电动机的截面图，其振荡系统处于中心位置；

图2为一直线振荡电动机的截面图，其振荡系统偏离该中心位置。

具体实施方式

如图1所示，所述直线振荡电动机的定子系统由沿轴向磁化的环盘形永磁体4构成，其两端面分别设有环形的第一极片5和第二极片6。极片5、6的内外径与磁体4的内外径相等。

所述振荡系统同心布置且以可沿轴向运动的方式安装在所述定子系统内部，所述振荡系统由铁氧体磁芯1构成，该磁芯上缠绕有第一激励线圈2和第二激励线圈3。只要所述振荡系统处于其中心位置，第一线圈2就位于第一磁隙7的中心，第二线圈3相应位于第二磁隙8的中心。用于线圈2、3的可动供电线只需发生轻微弯曲。

运行所述直线振荡电动机时需要在激励线圈2、3上施加一个交流电压，该交流电压在线圈2、3中产生交流电流。由于所述线圈布置在定子的磁场中，因此这些载流线圈受到洛伦兹力的作用，其大小和方向与所施加工作电压的强度和极性有关。由于这两个激励线圈2、3所采用的绕线方式使得电动机工作期间作用于线圈2、3的洛伦兹力累加，因此，所施加的交流电压引起所述振荡系统发生振荡，其振荡频率与交流电压的频率相同。

所述直线振荡电动机的工作频率为50Hz，行程为10mm，机械功率为100W，转换效率约为87％。

参考符号表

1.振荡系统的磁芯，2.第一激励线圈，3.第二激励线圈，4.定子系统的磁体，5.第一极片，6.第二极片，7.第一磁隙，8.第二磁隙。

Claims (12)

1.一种电动式直线振荡电动机，包括至少一个位于定子系统中的磁体(4)和一振荡系统，所述振荡系统可动地安装在所述定子的磁场中，其特征在于，

所述电动机的振荡系统包括至少一个由一软磁材料构成的磁芯(1)和至少一个激励线圈(2；3)。

2.根据权利要求1所述的直线振荡电动机，其特征在于，

所述定子系统的所述至少一个磁体(4)是一永磁体。

3.根据权利要求1所述的直线振荡电动机，其特征在于，

所述定子系统的所述至少一个磁体(4)是一电磁体。

4.根据权利要求1所述的直线振荡电动机，其特征在于，

所述振荡系统的磁芯(1)由软铁、电机硅钢或软磁结构钢构成。

5.根据权利要求1至4所述的直线振荡电动机，其特征在于，

所述定子系统由一沿轴向磁化的环盘形磁体(4)构成，所述磁体的两端面分别设有一由一软磁材料构成的环形极片(5；6)，所述振荡系统以可沿轴向运动的方式同心安装在所述定子系统内部，所述振荡系统由一软磁磁芯构成(1)，所述磁芯上缠绕有两个单独的激励线圈(2；3)，其中，当所述振荡系统处于其中心位置时，所述两个激励线圈(2；3)分别位于一个由所述极片(5；6)与所述盘形磁体(4)所形成的磁隙(7；8)中，所述两个激励线圈(2；3)的绕线方向相反，从而使得在所述电动机工作期间作用于所述线圈(2；3)的洛伦兹力累加。

6.根据权利要求5所述的直线振荡电动机，其特征在于，

所述振荡系统的磁芯(1)呈圆柱形，由所述磁芯(1)和缠绕在所述磁芯上的所述线圈(2；3)构成的所述振荡系统的外径小于所述定子系统的磁体(4)的内径。

7.一种如权利要求1所述的直线振荡电动机的应用，用作制冷设备和空调设备中的一活塞式压缩机的驱动电动机。

8.一种如权利要求1所述的直线振荡电动机的应用，用作一用于输送燃油、机油、冷却水或液压液的泵的驱动电动机。

9.一种如权利要求1所述的直线振荡电动机的应用，用于内燃机中的喷油过程。

10.一种如权利要求1所述的直线振荡电动机的应用，用作用于产生极低温度的气体制冷机中的单活塞或双活塞式直线压缩机的驱动电动机。

11.一种如权利要求1所述的直线振荡电动机的应用，用作可以利用行程小但作用力大的驱动系统来产生电能的发电机。

12.一种如权利要求1所述的直线振荡电动机的应用，用作发电机，实施为汽车独立悬架的电动减振系统。

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