CN102966512B - 一种环形压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直线电机驱动的环形压缩机，包括环形腔体；环形定子轭铁，其套放于环形腔体的外部，内表面呈齿槽结构；线圈，其缠绕于环形定子轭铁的齿槽结构上；滑块，其安放于环形腔体内部，能沿腔体内壁滑动；阀门，其设在环形腔体内，阀门两侧的环形腔体壁面上分别开有通气口和通气口。本发明降低了漏磁损耗，避免了直线电机的铁心开断，压缩机运动部件和电机运动部件融为一体结构简单紧凑，并且具有非常优良的变频特性，另外散热效果好，功率密度高，具有良好的应用前景。

Description

一种环形压缩机

技术领域

本发明属于电机及压缩机技术领域，特别是涉及一种环形压缩机。

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0002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0002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。

图3为一种环形压缩机剖面图(专利号CN200810154262)。这种环形压缩机由环形腔1-11，螺旋形的线圈，两个滑块1-31、1-32，进排气孔1-41、1-42构成。在一个滑块运动过程中，另外一个滑块固定在腔体1-11内的进排气孔1-41、1-42中间。两个滑块通过弹性碰撞交换动量，使运动的滑块静止，静止的滑块运动。在两个滑块接近的过程中，实现对气体的压缩，在分离的过程实现吸气。其结构简单，体积小，成本低。但通过弹性碰撞交换滑块运动状况，难以保证定位可靠性。频繁碰撞会导致噪声，材料疲劳，并消耗动能降低能效。该结构未考虑气体力对静止滑块的作用，实际上高压侧和低压侧的压差会导致静止滑块受到单向的推力难以保持静止。另外，该结构未给出可操作的驱动方法。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提出了一种环形压缩机，具有优良的变频特性、高效率、低振动、运行可靠和结构简单紧凑的特点。

一种环形压缩机，包括

环形腔体；

环形定子轭铁，其套放于环形腔体的外部，内表面呈齿槽结构；

线圈，其缠绕于环形定子轭铁的齿槽结构上；

滑块，其安放于环形腔体内部，作为活塞能沿环形腔体内壁滑动；

阀门，其设在环形腔体内，阀门两侧的环形腔体壁面上分别开有吸气口和排气口。

进一步地，所述滑块上安装有永磁体，使得在其外圆周上形成至少一个单一磁极或者至少一对交替磁极。

进一步地，所述滑块与环形腔体内壁紧密贴合。

进一步地，所述阀门为一个或一个以上。

进一步地，所述滑块的长度小于形腔长度。

进一步地，所述定子轭铁采用旋转同步电机的定子结构。

进一步地，所述线圈为两相或多相绕组。

进一步地，所述永磁体采用软磁材料制成的轭铁和交替排列在其上的径向充磁的永磁块构成。

进一步地，所述吸气口和排气口通过控制阀与一外部工作腔连通或者直接跟外部工作腔相连通。

进一步地，所述阀门采用盘形旋转结构或者往复片状结构。

本发明的技术效果体现在：

1、本发明为直线电机驱动方式，电机运动部件与活塞(滑块)构成一体，无需运动转换机构，简化了结构，低振动，降低了能量传递损耗。

2、通过控制电机运动部件(滑块)的速度来控制压缩机的工作频率，具有较宽的操作带宽，并且电机经历相对稳定的电磁过程，电磁驱动力稳定，电磁性能得到改善，有利于提高机电转换效率。

3、通过受控的阀门开启和封闭环形腔，结构简单，部件少，运行可靠。

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为一种环形压缩机剖面图；

图4为本发明实施例的环形压缩机结构图；

图5为本发明实施例的滑块结构图；

图6为本发明实施例的阀门结构图。

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。

图3给出本发明环形压缩机的一个实施例，包括环形腔体1，具有齿槽结构的环形定子轭铁2，环形腔体1位于环形定子轭铁2内部，二者同心，没有或者仅具有微小间隙(3mm以内)。轭铁2内表面呈齿槽结构，齿槽结构上缠绕有线圈，线圈与外界电源连接。滑块4位于环形腔体内部，滑块4与环形腔体内部紧贴，并可以沿环形腔体内壁全周滑动。滑块4上装有永磁体，使得在其外圆周上形成至少一个单一磁极或者至少一对交替磁极。腔体1内部固定两个阀门51和52，阀门51或52开启时滑块4可无障碍的通过，其关闭时将封闭腔体的一端。在阀门51两侧的腔体1壁面上开有小口61和62，对应阀门52的小口为63，64，分别作为排气口和进气口。吸气口和排气口通过控制阀与一外部工作腔连通或者直接跟外部工作腔相连通。视具体的运用场合，工作腔可以是同一个，也可以是不同的几个。

给线圈3通电，滑块4在定子轭铁2和线圈3所形成的运动磁场牵引下沿环形腔体内壁1滑动。当滑块4刚开始滑过排气口61时阀门51开启，当滑块4完全滑过吸气口62时，阀门51关闭。

环形腔体1的横截面可以采用圆形或者圆角后的矩形截面。滑块4与环形腔体1内部紧贴，但须保证可自由滑动以在降低摩擦的同时具有足够的密封。

参看图4，定子轭铁2可直接选用旋转同步电机的定子结构。线圈3可以采用两相或多相绕组。若如图4中所示采用三相双层整距绕组，每相线圈相隔120°电角度，当线圈中通入三相交流电，则可以形成沿着定子轭铁2极面运动的行波磁场。

滑块4是由永磁材料和铁磁性材料等组合而成，滑块上安装有永磁体，使得在其外圆周上形成至少一个单一磁极，或者在面向定子轭铁2极面的方向上形成N、S交替的永磁极面。一种情况下可以采用径向充磁的永磁块411交替排列在软磁材料做成的轭铁422上，如图5所示。滑块4的长度接近或等于环形腔1周长的一半。

环形腔体1采用非导磁、非导电材料制造，需要有足有的机械强度和刚度，使之承受压力差时不发生塑性变形。腔体内表面需要有足够的表面精度，以减小摩擦阻力，必要时需要加装滑动轴承。

阀门51、52可采用往复片状结构或微型伺服电机控制的盘形旋转结构，但不限于此种结构。图6给出微型伺服电机控制的盘形旋转结构示例。通过一定手段控制阀门，使之在滑块4向阀门运动到一定距离后，阀门完全开启；在滑块完全通过阀门后可立刻关闭。排气口61、63和吸气口62、64(图4中当滑块4做逆时针滑动时)位于阀门51、52两侧合适的位置。

对于图4所示的双阀门四排气孔的环形压缩机，滑块运动一周，经历两次压缩吸气过程。一种情况下，环形压缩机用于驱动蒸汽压缩制冷系统，排气口61与吸气口64相连，排气口63与吸气口62与外部连接，可实现多级压缩。一种情况下，环形压缩机用于驱动蒸汽压缩制冷系统，排气口61、63与外部吸气腔相连，吸气口62、64与外部排气腔相连。

对于图4所示的双阀门四排气孔的环形压缩机，滑块运动一周，经历两次压缩吸气过程。一种情况下，环形压缩机用于斯特林回热式制冷系统，排气口61、63与吸气口62、64与一个通道切换开关相连。通过通道开关吸气口与排气口，按照一定的序列通过控制阀或直接与外界工作腔体相连，可在外界腔体内形成接近正弦的波动压力。例如通过阀门将工作腔在第一压缩过程与排气口61相连，第一吸气过程与吸气口64相连，紧接上过程的第二吸气过程与吸气口62相连，接上一过程的第二排气过程与排气口63相连，重复上述过程实现循环工作。

对于图4所示的双阀门四排气孔的环形压缩机，滑块运动一周，经历两次压缩吸气过程。一种情况下，环形压缩机用于斯特林回热式制冷系统，滑块长度接近半个环形腔体长度。吸气口62、与排气口63同时与外界工作腔相连，吸气口64、与排气口61与背压腔或者与另外一个工作腔相连。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)

1.一种环形压缩机，其特征在于，包括

环形腔体；

环形定子轭铁，其套放于环形腔体的外部，内表面呈齿槽结构；

线圈，其缠绕于环形定子轭铁的齿槽结构上；

滑块，其安放于环形腔体内部，作为活塞能沿环形腔体内壁滑动，所述滑块的长度小于形腔长度；所述滑块上安装有永磁体，使得在其外圆周上形成至少一个单一磁极或者至少一对交替磁极；

阀门，其设在环形腔体内，所述阀门为两个以上，阀门开启时滑块可无障碍的通过，其关闭时将封闭腔体的一端；阀门两侧的环形腔体壁面上分别开有吸气口和排气口，所述吸气口和排气口通过控制阀与一外部工作腔连通或者直接跟外部工作腔相连通。

2.根据权利要求1所述的环形压缩机，其特征在于，所述滑块与环形腔体内壁紧密贴合。

3.根据权利要求1所述的环形压缩机，其特征在于，所述定子轭铁采用旋转同步电机的定子结构。

4.根据权利要求1所述的环形压缩机，其特征在于，所述线圈为多相绕组。

5.根据权利要求2所述的环形压缩机，其特征在于，所述永磁体采用软磁材料制成的轭铁和交替排列在其上的径向充磁的永磁块构成。

6.根据权利要求1～5任意一项权利要求所述的环形压缩机，其特征在于，所述阀门采用盘形旋转结构或者往复片状结构。