CN102953956A - 一种无刷空心杯直线电机驱动的压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无刷空心杯直线电机驱动的压缩机，包括轴、永磁体序列、空心杯绕组、一端封闭的筒体、柔性板弹簧、筒状气缸；轴上安装有永磁体序列，轴的一端连接柔性板弹簧，另一端连接筒体的封闭端面，永磁序列、轴、筒体和板弹簧共同构成活塞往复直线运动部件；筒体的外部套有筒状气缸；轴上的永磁体序列与筒体侧壁之间安放有空心杯绕组。本发明通过直流电逆变驱动，可实现非常优良的变频特性；电机运动部件与活塞构成一体，无需运动转换机构，简化了结构，降低了能量传递损耗；采用无铁心的电枢结构，消除了磁阻力波动，改善了驱动力性质；电枢曝露于流体中，有利于实现散热，提高功率密度和效率，改善电机性能。

Description

一种无刷空心杯直线电机驱动的压缩机

技术领域

本发明属于压缩机技术领域，特别是涉及一种无刷空心杯直线电机驱动的压缩机。

背景技术

压缩机是将低压气体提升为高压气体的一种耗功率的流体机械，广泛应用于需要气体压缩和驱动的场合，如蒸汽压缩式制冷系统。也可应用于其它流体泵送或流体振荡的场合，如回热式制冷系统以及其它流体压缩驱动系统。压缩工质不限于是气体，也可以是液体。

曲柄连杆式往复活塞压缩机历史悠久，至今仍在广泛应用。图1为一种常用往复活塞式压缩机剖面图，它主要由电机定子001、转子002、压缩机缸体003、活塞004、曲轴005、连杆006等组成。首先是将电机定子001形成旋转的磁场，与转子002相互作用，拖动转子002作旋转运动。曲轴005和连杆006将电机旋转运动转换成活塞004的往复运动，由活塞004的位移改变容腔体积进行压缩。这种压缩机必须有一套将电动机的旋转运动转变为活塞直线往复运动的转换机构。通过对这类压缩机的动力学分析（以曲柄连杆机构为例）可见：作用在曲柄连杆机构上的力主要有三种--惯性力、气体力（负载）、摩擦力。惯性力又分为活塞往复运动所产生的惯性力、曲柄不平衡旋转质量所产生的离心惯性力、连杆运动所产的惯性力；压缩机的摩擦功率包括往复摩擦功率、旋转摩擦功率。其中曲柄不平衡旋转质量所产生的离心惯性力、连杆运动所产生的惯性力以及旋转摩擦力都是因为使用旋转式电动机而直接引起的，将带来能量的损失，而往复摩擦功率的损失则很大程度上是由曲柄连杆机构造成的活塞所受侧向力引起的。总之，这种机器总体体积庞大、传动效率低、噪声大、磨损厉害、压缩热效率低、寿命短。所有这些不利因素和局限性都是因为做旋转运动的电机以及将旋转运动转换为直线运动的机构所致。因此，传统往复活塞式压缩机有可能因为使用一种新型的直线电机驱动方式而使性能大为改善。

图2为一种动磁式直线电机驱动的往复压缩机结构。具有圆桶状轴对称的外铁轭011和内铁轭012，也称为铁芯。电枢线圈02镶嵌在外铁轭011的槽中。四块永磁环41、42、43、44位于内外铁轭的气隙中，并与其相连的构件及活塞一起构成动子。当线圈02中通入交变的电流时，在内外铁轭011、012产生电磁场，与动子上的永磁体相互作用，并驱动活塞往复运动。这种结构的压缩机利用电能直接转换成活塞的往复运动，不需要中间转换机构，因而结构紧凑。但最优工作频率受制于机械谐振系统的频率，不利于变频调节。另外，铁芯在端部开断，引起较大的附加磁阻推力，影响控制性能和效率。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提出一种无刷空心杯直线电机驱动的压缩机，结构简单紧凑，运行可靠，具有优良的变频特性、高效率、低噪声的特点。

一种无刷空心杯直线电机驱动的压缩机，其特征在于，包括轴、永磁体序列、空心杯绕组、一端封闭的筒体、柔性板弹簧、筒状气缸；轴上安装有永磁体序列，轴的一端连接柔性板弹簧，另一端连接筒体的封闭端面，永磁序列、轴、筒体和板弹簧共同构成活塞往复直线运动部件；筒体的外部套有筒状气缸；轴上的永磁体序列与筒体侧壁之间安放有空心杯绕组。

进一步地，所述永磁体序列至少具有一个径向充磁的永磁环，相邻的永磁环充磁方向相反。

进一步地，所述永磁体序列至少具有一个轴向充磁的永磁环，永磁环两侧设置导磁环，导磁环直径大于永磁环直径。

进一步地，所述永磁体序列采用海尔贝克结构。

进一步地，所述空心杯绕组为单相、两相和多相绕组中的任意一种。

进一步地，所述空心杯绕组为三相相绕，三相绕组按照星形连接或者三角形连接，每匝线圈中不少于1/3的部分沿着绕组杯体的圆周方向缠绕。

本发明的技术效果体现在：

1、本发明通过直流电逆变驱动，可实现非常优良的变频特性，电机运动部件与活塞构成一体，无需运动转换机构，简化了结构，降低了能量传递损耗。

2、本发明采用无铁心的电枢结构，消除了磁阻力波动，改善了驱动力性质。另外，电枢暴露于流体中，有利于实现散热，提高功率密度和效率，改善电机性能。基本消除了固定的电枢与运动的永磁序列之间的径向吸引力，降低了装配难度。

3、本发明比较适宜作微型压缩机驱动器或声波发生器，并容易实现微型化。

4、本发明可采用直流电源供电，并可以配置内置换相元件，并可以采用调节电压的方式调速，方便可靠。

附图说明

图1为一种典型结构的往复式蒸汽压缩机截面示意图；

图2为一种典型结构的永磁直线电机横截面示意图；

图3为发明的一种无刷空心杯直线电机驱动的压缩机横截面示意图；

图4为发明的一种无刷空心杯直线电机永磁结构及磁感应矢量示意图；

图5为发明的一种无刷空心杯直线电机电流主磁极及电枢电流层示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步的详细说明。

参看图3，本发明一种无刷空心杯直线电机驱动的压缩机包括筒状气缸1、空心杯绕组2、永磁体序列3、轴4、一端封闭的筒体5、柔性板弹簧6。永磁体序列3安置在轴4上。柔性板弹簧6与轴4一端相连，与轴4的另一端相连是筒体5的封闭端面。筒体5同时兼具磁路外轭铁和活塞的作用。筒体5的外部套有筒状气缸1。轴4上的永磁体序列3与筒体5侧壁之间安放有空心杯绕组2。永磁序列3、轴4、筒体5和板弹簧6共同构成压缩机的往复运动部件。

筒形气缸1采用非导磁材料制造，腔体内表面需要有足够的表面精度。筒体5与筒形气缸1保持同心，且表面材料需与气缸1材料构成一对摩擦副，以便在相对运动时减小磨损。筒体5同时兼具磁路外轭铁和活塞的作用，一种情况下可以选择铁磁性材料做筒体本体，在筒体外表面做处理改善材料属性。永磁体序列3可采用稀土永磁材料制成。

无刷空心杯直线电机驱动的压缩机的工作过程为：通过换相电路板对空心杯绕组供电，空心杯绕组与永磁序列之间产生交变电磁力，在柔性板弹簧提供的回复力协助下，驱动活塞（筒体）在气缸往复运动实现气体的压缩和膨胀。

一种情况下，永磁体序列至少具有一个径向充磁的永磁环，对于多个磁环的情况，相邻的永磁环充磁方向相反。

一种情况下，永磁体序列至少具有一个轴向充磁的永磁环，磁环两侧设置导磁环，一般导磁环直径大于永磁环直径。

一种情况下，永磁体序列可以采用海尔贝克（Halbach）结构，其具有至少一个径向磁环及其两侧设置的充磁方向相反的轴向永磁环。在如图4所示的情形下，部分磁感应线的方向如带箭头曲线所示。采用这种结构可以省去永磁外侧的轭铁，并强化腔体内侧的磁场。这种结构也有利于减轻运动部件质量。

一种情况下，空心杯绕组可为单相、两相或多相绕组。本发明实施例采用三相绕组，并沿着轴向方向布置。每匝线圈中至少一部分（不少于1/3）应该沿着杯体的圆周方向缠绕。三相绕组按照星形连接或者三角形连接。如图5所示，采用一定换相手段，在主永磁磁极下（例如31、32、33）产生交替的电流层（21、22、23）。永磁磁场和电枢电流相互作用下产生电磁推动力，驱动活塞往复运动。

一种情况下，压缩机可作为声泵用于斯特林制冷系统，特别地，使用于制冷量不大的微型制冷机，可在外界腔体内形成接近正弦的波动压力。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种无刷空心杯直线电机驱动的压缩机，其特征在于，包括轴、永磁体序列、空心杯绕组、一端封闭的筒体、柔性板弹簧、筒状气缸；轴上安装有永磁体序列，轴的一端连接柔性板弹簧，另一端连接筒体的封闭端面，永磁序列、轴、筒体和板弹簧共同构成活塞往复直线运动部件；筒体的外部套有筒状气缸；轴上的永磁体序列与筒体侧壁之间安放有空心杯绕组。

2.根据权利要求1所述的无刷空心杯直线电机驱动的压缩机，其特征在于，所述永磁体序列至少具有一个径向充磁的永磁环，相邻的永磁环充磁方向相反。

3.根据权利要求1所述的无刷空心杯直线电机驱动的压缩机，其特征在于，所述永磁体序列至少具有一个轴向充磁的永磁环，永磁环两侧设置导磁环，导磁环直径大于永磁环直径。

4.根据权利要求1所述的无刷空心杯直线电机驱动的压缩机，其特征在于，所述永磁体序列采用海尔贝克结构。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的无刷空心杯直线电机驱动的压缩机，其特征在于，所述空心杯绕组为单相、两相和多相绕组中的任意一种。

6.根据权利要求5所述的无刷空心杯直线电机驱动的压缩机，其特征在于，所述空心杯绕组为多相相绕，多相绕组按照星形连接或者角形连接，每匝线圈中不少于1/3的部分沿着绕组杯体的圆周方向缠绕。

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