CN104884801B - 用于往复式压缩机的电磁致动器和惯性保持装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种压缩机100，所述压缩机包括活塞116，所述活塞安置在外壳中并且被配置为在所述外壳中以可往复运动的方式受电磁驱动装置132推动。在一个实施例中，传统线性电动机传动组件以可往复运动方式推动所述活塞。在另一个实施例中，磁性齿轮传动组件以可往复运动方式推动所述活塞。在另一个实施例中，螺线管传动组件以可往复运动方式推动所述活塞。控制系统连接到所述传动装置以改变活塞位移，并且蓄能器通过在一个冲程末尾减速平移组件并且在下一冲程中加速所述组件来保存力。

Description

用于往复式压缩机的电磁致动器和惯性保持装置

技术领域

本发明涉及一种气体压缩机。具体来说，本发明涉及一种具有惯性保持特征的往复式气体压缩机。

背景技术

气体压缩机可以宽泛地分组为动态或正位移气体压缩机。正位移型压缩机通过减小气体所占的体积来增大气体压力。正位移气体压缩机的工作原理是将固定量的气体紧闭在压缩室中，机械地减小气体占用的体积从而压缩气体，以及将压缩的气体输送到分配网络中。气体压力增量对应于同等量气体所占用空间的体积减量。本说明书中所用的术语“气体”包括气态物质、液态物质以及由液态物质和气态物质构成的混合物。

正位移压缩机使用往复式活塞或旋转部件机械地减小气体占用的体积。往复式压缩机通过反复地沿第一方向将压缩活塞驱动到压缩室中，沿第二方向从所述压缩室抽出所述活塞以及允许待压缩的气体体积占据所述压缩室来连续地压缩气体体积。每当所述活塞移动到所述压缩室中时，所述活塞将扫掠所述压缩室的一部分，从而减小所述气体占据的压缩室的体积，并且提高其中的压力。经压缩的气体随后离开压缩室，所述活塞从压缩室中抽出，并且第二充气量的气体进入压缩室，以便进行后续的活塞往复运动。

往复式压缩机可以是单动式或者双动式。上述的单动式压缩机仅在沿第一方向驱动活塞时执行压缩。双动式压缩机包括与压缩活塞的正面和背面相关的压缩室，从而在沿第一方向和第二方向进行活塞运动时均执行压缩。

往复式压缩机还可以是单级或多级的。在单级压缩机中，压缩机在单个机械操作中，例如在上述第一活塞运动中压缩气体体积。在多级压缩机中，压缩机在多个机械操作中压缩气体体积，例如在上述第一运动中使用活塞正面压缩气体，将经压缩的气体向与活塞背面相关的腔室移动，并且在上述第二运动中进一步使用活塞背面压缩气体。另一种多级压缩机包括多个压缩活塞，所述多个压缩活塞被布置成使用多个压缩操作来压缩气体。

使用活塞压缩的往复式压缩机具有多个缺点。例如，在配备活塞的压缩机中，与往复式部件相关的惯性力较高。在连续的往复运动中，压缩机驱动装置使活塞沿一个方向加速、停止运动，然后沿相反方向加速。活塞组件越大，驱动装置需要提供以加速和减速所述组件的力越大。由于组件的动能通常在冲程结束时消散(并且不守恒)，因此压缩机固有地效率较低。在冲程相对较短的压缩机中，这种能量损失可能尤其严重，其中与加速活塞组件相关的惯性载荷是施加在驱动组件上的峰值载荷。因此，压缩机驱动装置所产生的大部分力不是用于压缩气体中，而是连续地加速活塞组件。

在高压天然气应用中，压缩机通常受到旋转驱动。旋转驱动装置又具有位于旋转驱动装置与活塞之间的机械连接，其将驱动轴旋转转换成活塞线性平移，这通常通过使用连接杆来实现。连接杆限制压缩操作，以使活塞扫掠压缩室的部分恒定。因此，为了在不改变驱动轴速度的情况下改变被压缩气体的体积，配备活塞的压缩机包括折转部分。所述折转部分通过活塞在其中往复运动的腔室的体积改变压缩室体积，从而改变腔室内的气体在每个冲程期间经历的压缩。折转部分存在自身的缺点，例如调整十分耗时，甚至需要压缩机脱机，以便操作员能够物理地操作曲柄以改变压缩室体积。

一种提供容量可调节压缩机的替代方案是线性电动机驱动的压缩机。这种压缩机是在Deffenbaugh等人于2005年12月发表的“高级往复式压缩技术最终报告(AdvancedReciprocating Compression Technology Final Report)”(“ARCT报告”)中提出的，该报告属于DOE获奖编号DE-FC26-04NT42269下的SwRI项目号18.11052。但是，如ARCT报告中的结论所述，尽管可以使用线性电动机来驱动往复式压缩机，但是基于当前的线性电动机技术，这种压缩机限于较小直径的气缸、在较低速度下运行以及具有相对较长的冲程长度，因此容量较低并且不适用于传统天然气配送系统。存在这些限制一部分是由于能够通过现有线性电动机技术获得的力有限，一部分是由于上述杆载荷惯性载荷要求。

因此，需要一种驱动力要求受压缩压缩室的气体所需的力而不是加速压缩活塞所需的惯性力驱动的往复式压缩机。还需要一种相关驱动力要求在现有线性电动机技术的能力内的大孔径往复式压缩机。最后，需要一种相关驱动力要求在现有线性电动机技术的能力内的短冲程长度往复式压缩机。

发明内容

所属领域中的技术人员可从附图及其详细说明中显而易见地了解本发明的许多其他特征、目标和特征。

在一个实施例中，本发明提供了一种往复式压缩机。所述往复式压缩机包括：活塞，所述活塞以可往复运动方式设置在压缩气缸内；可平移组件，所述可平移组件连接到所述活塞；电磁驱动装置，所述电磁驱动装置具有固定定子和芯子，所述芯子连接到所述可平移组件，其中所述驱动装置被配置成在所述压缩室内以可往复运动方式驱动所述可平移组件；以及蓄能器，所述蓄能器连接到所述可平移组件，其中所述蓄能器被配置成储存驻留在所述可平移组件沿第一方向的运动中的动能，并且其中所述蓄能器被配置成传递驻留在所述可平移组件沿第二方向的运动中的动能。

在另一个实施例中，本发明提供了一种往复式压缩机的使用方法，所述往复式压缩机包括可平移组件、连接到所述可平移组件的蓄能器；以及连接到所述可平移组件的电磁驱动装置所述方法包括：通过使用所述电磁驱动装置向所述可平移组件施加力来沿第一运动方向加速所述可平移组件；通过将驻留在所述可平移组件中的动能储存在所述蓄能器中来沿所述第一运动方向减速所述可平移组件；以及通过从所述蓄能器储存的能量中产生力来沿第二运动方向加速所述可平移组件。

附图说明

在参考附图阅读以下详细说明后，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点，在附图中，类似的符号代表所有附图中类似的部分，其中：

图1示出了现有技术的往复式压缩机，所述往复式压缩机被配置成由线性电动机电磁致动，所述压缩机被布置在下死点位置中；

图2示出了图1中的压缩机，所述压缩机进一步布置在上死点位置中；

图3示出了图1中的压缩机以及在从下死点向上死点移动期间影响可平移组件的力；

图4示出了图1中的压缩机以及在从上死点向下死点移动期间影响可平移组件的力；

图5示出了图1中的压缩机，其中压缩室被图示为分成三个区域，每个区域与不同的可平移组件加速度关联；

图6示出了比较说明在图1到图5中的压缩机从上死点向下死点移动期间，速度和力与时间之间的关系的图表；

图7示出了使用线性电动机致动的往复式压缩机的示例性实施例以及在从下死点向上死点移动期间影响可平移组件的力；

图8示出了图7中的压缩机以及在从上死点向下死点移动期间影响可平移组件的力；

图9示出了被配置用于往复式压缩机上的可变蓄能器的实施例；

图10示出了图7中的压缩机，其中压缩室被图示为分成三个区域，每个区域与不同的可平移组件加速度关联；

图11示出了比较说明在图7、图8和图10中的压缩机从上死点向下死点移动期间，速度和力与时间之间的关系的图表；

图12示出了由磁性齿轮传动式线性电动机驱动的压缩机的实施例；

图13到图17示出了被配置用于往复式压缩机的磁性齿轮传动式驱动装置的实施例；

图18示出了由电磁驱动装置驱动的压缩机的实施例；

图19示出了具有两个压缩组件和线性电动机驱动装置的压缩机的实施例；以及

图20示出了具有两个压缩组件和电磁致动器的压缩机的实施例。

具体实施方式

以下详细说明参考了附图，附图构成申请的一部分并且示出了本发明的特定实施例。这些实施例均足够详细地描述，以使得所属领域的技术人员能够实践所述实施例，并且应理解，可利用其他实施例，并且在不脱离本发明范围的情况下可做出逻辑、机械、电气以及其他改变。因此，以下详细说明不应视为限制本发明的范围。

图1和图2示出了往复式压缩机10。压缩机10包括活塞12，所述活塞以可滑动方式设置在气缸(外壳)14内。活塞具有朝向头端的第一表面16和朝向曲柄端的第二表面18。本说明书中所用的“头端”是指距离驱动组件最远的压缩组件的一端。本说明书中所用的“曲柄端”是指距离驱动组件最近的压缩组件的一端。活塞12和气缸14一起共同限定第一可变体积压缩室和第二可变体积压缩室(20、22)，每个压缩室(20、22)选择性地通过多个入口(24、26)与气体供应系统(未图示)气动连通。每个压缩室(20、22)选择性地通过多个出口(28、30)与气体配送/输送系统(未图示)气动连通。压缩室10还包括电磁驱动装置32，驱动装置32具有定子34和芯子36。连接杆38将传动芯子36附接到活塞12。活塞12、连接杆38和芯子36共同包括可平移组件40，所述可平移组件被配置成以可往复运动的方式沿平移轴42受驱动。

本说明书中的附图约定，具有45度井号的元件/组件相对于不具有此类标识的元件/组件而言固定。因此，如图1和图2所示，定子34和气缸(外壳)14相对于可平移组件40固定。致动之后，定子34和芯子36协作，以向平移组件40施加轴向力，从而使组件40沿轴42平移。驱动装置32经配置以使轴向力可逆，从而使可平移组件40沿轴42来回往复运动。

本说明书中所用的术语“下死点”是指定活塞置于压缩组件内与驱动组件邻接的一端上的位置安排。本说明书中所用的术语“上死点”是指定活塞置于压缩组件内与驱动组件相对的一端上的位置安排。本说明书中所用的术语“往复运动”是指可平移组件沿平移轴驱动活塞向头端、然后向曲柄端移动的连续交替运动。

图1示出了置于下死点的活塞12。图2示出了置于上死点的活塞12。要将活塞12从图1中所示的下死点位置向图2中所示的上死点位置移动，驱动装置32向组件40施加头端方向的力44。力44沿轴42驱动组件40，从而将活塞12向压缩组件的头端移动，从图1中所示的位置向图2中所示的位置移动。

活塞12从下死点向上死点平移期间，第一活塞表面16向气体占据的腔室20施加力，从而压缩气体。同时，活塞12的平移还增大腔室22的体积。如图2中的流动箭头46所示，活塞12压缩的气体从腔室20流入气体配送/输送系统(未图示)中。类似地，如图2中的流动箭头48所示，要压缩的气体从气体供应系统(未图示)流入腔室22中。活塞随后减速、在上死点停止运动、调转方向并且沿曲柄端方向加速，沿轴42向驱动装置12平移，从而产生类似的事件序列。

图3和图4示出了往复平移期间作用在可平移组件40上的力。图3示出了在组件40沿轴42的上述平移期间布置的力。驱动装置32施加上述朝向头端的驱动力44，其在图3中标记为“F_驱动”并且其大小足以克服施加在第一活塞表面16上的力，其标记为“F_活塞表面”。驱动力44的大小还足以加速可平移组件40的质量，在图3中，该质量标记为“M_平移组件”。类似地，图4示出了组件40沿轴42平移期间作用在可平移组件40上的力，该力将活塞向压缩组件的曲柄端驱动。在图4中，“F_驱动”的大小足以克服施加在第二活塞表面18上的力，其标记为“F_活塞表面”。驱动力44的大小还足以加速可平移组件40的质量，在图4中，该质量标记为“M_平移组件”。在图3和图4这两幅图中，驱动装置32产生的力满足以下方程式：

F_驱动＝(M_平移组件)*α+F_活塞表面(方程式1)

其中α是可平移组件40的加速度。术语“(M_平移组件)*α”代表在经历加速期间，加速平移组件40的往复质量所必须克服的惯性力。

图5通过将气缸分为多段，每个气缸段具有不同的活塞加速度，示出了示例性活塞平移。图6图示了在图5中所示的气缸段中，活塞加速度与时间之间的关系，并且进一步包括在公共时间轴上，驱动力的相对大小与每个气缸段中所需的时间之间关系的图示。

图5示出了压缩机气缸14，所述气缸被四条气缸分隔线(50、52、54、56)分为三个部分(A、B、C)。分隔线50和52限定腔室部分A，分隔线54和56限定腔室部分C，并且分隔线52和54限定腔室部分B。如图6中所示并且相对于方程式1而言，当活塞12处于气缸部分A的下死点处时，驱动装置32施加足以克服(a)施加在活塞第一表面16上的气体力并且(b)增大驻留在可平移组件40上的惯性力的朝向头端的力，从而加速可平移组件40。当活塞12进入部分B中时，力要求降低，驱动装置32供应的力仅足够克服(a)施加在活塞第一表面16上的气体力。可平移组件40的惯性在气缸部分B中恒定。当活塞12进入部分C中时，驱动装置32立即再次供应更大的力，足以克服(a)施加在活塞第一表面16上的气体力，并且(b)消除驻留在可平移组件40中的惯性力，从而使组件140的平移减速，致使组件停止并将活塞留在其上死点位置中。

图6图示了上述的速度和力变化。图6示出了速度和力与时间之间的关系图，其中时间出现x轴上，速度出现y轴左边，而力出现y轴右边。对应于气缸分隔线(50、52、54、56)的四条图分隔线(50、52、54、56)将该图分为三个部分(A、B、C)，每个部分具有共同的驱动力水平和可平移组件加速率。类似于图5，在图6中，分隔线50和52限定图的第一部分“A”，其示出了腔室部分A中的力施加和活塞加速度，分隔线52和54限定图的第二部分“B”，其示出了腔室部分B中的力施加和活塞加速度，并且分隔线54和56限定图的第三部分“C”，其示出了腔室部分C中的驱动力施加和活塞加速度。标记为“速度”的实线部分示出了从下死点向上死点运动期间的活塞加速度迹线58，而标记为“力”的具有三角标记的虚线示出了从下死点向上死点位置运动期间的驱动力施加迹线60。

从图6中可以清楚地看出，当驱动组件必须加速/减速可平移组件40时，驱动力要求最高。这图示为图中加速度正在改变的部分“A”和部分“C”中的相对极端力迹线值。因此，导致以下两点。首先，需要加速可平移组件的力限定了驱动组件力要求以及对可用驱动组件技术的限制，从而限制电磁致动的气体压缩机构造的大小。其次，对于受方程式1约束的任何电磁致动的压缩机而言，如果可以减小峰值力载荷，则可以在不提供更多强力电磁致动器的情况下增大压缩机的大小。

每当压缩机改变平移方向时，驱动装置必须(a)将正在移动的可平移组件减速到停止，从而克服驻留在正在移动的可平移组件中的惯性力，并且(b)沿相反方向加速已停止的可平移组件，从而将惯性力传递所述可平移组件中。因此，在压缩机10中并入一种机构以保存驻留在第一运动中的惯性力并将其用于第二运动中将十分有利。

图7和图8示出了压缩机100的非限定实例，所述压缩机被配置成保存驻留在可平移组件140中的惯性力，从而有利地相对于恒定速度载荷减小杆加速度峰值载荷。

图7示出了具有蓄能器174的压缩机。蓄能器174包括连接杆138，所述连接杆138限定第一可移动法兰162和第二可移动法兰172。蓄能器174进一步包括具有小孔168的柱166，连接杆138以可滑动方式接纳在柱166内。蓄能器174进一步包括第一弹性构件164和第二弹性构件170。如图7中所示，弹性构件164设置在可移动的第一法兰162与固定柱166之间。类似地，弹性构件170设置在可移动的第二法兰172之间。弹性构件经过配置，以便当可平移组件140加速时，弹性构件(164、170)沿与驱动装置132向组件140施加的力的方向大体相同的方向施加力，从而减小驱动组件为加速组件140而可能需要施加的力。弹性构件通过返回到其各自的松弛状态来施加所述力，其在示例性实施例中分别图示为受压缩的弹簧164和延伸的弹簧170。

类似地，弹性构件经过配置，以便当可平移组件140减速时，弹性构件(164、170)沿与可平移组件140的运动方向大体相反的方向施加力，从而减小组件140的速度并且减小驱动组件132为使组件140减速而可能需要向组件140施加的力。弹性构件通过从其各自的松弛状态(未图示)变形来施加所述力。因此，蓄能器174的技术效果是在第一组件运动期间通过使组件减速来“储存”驻留在移动的可平移组件140中的惯性，然后通过在第二组件运动中加速所述组件来将该惯性返还给组件140。

在驱动装置132沿轴142加速可平移组件140的时间间隔中，蓄能器174有利地施加与驱动装置132一致的力，从而帮助驱动装置132(a)克服施加在活塞第一表面116上的气体力，以及(b)增大驻留在可平移组件140中的惯性力。在此加速时间间隔中，驱动装置132产生的力必须满足以下方程式：

F_驱动＝(M_平移组件)*α+F_活塞表面–F_蓄能器(方程式2)

在驱动装置132沿轴142减速可平移组件的时间间隔中，蓄能器174有利地施加与驱动装置132一致的力，从而帮助驱动装置132消除驻留在可平移组件140中的惯性力，从而使得组件140沿头端方向减速。在此减速时间间隔中，驱动装置132产生的力满足以下方程式：

F_驱动＝(M_平移组件)*(-α)+F_活塞表面+F_蓄能器(方程式3)

如方程式2和方程式3所示，蓄能器174的技术效果是减小驱动装置132为加速可平移组件140而需要产生的力。若展开方程式2和方程式3中针对包括单个弹簧的蓄能器的“F_蓄能器”项，则驱动装置产生的力满足以下方程式：

F_驱动＝(M_平移组件)*(-α)+F_活塞表面+(k*X)(方程式4)

其中k是弹簧常数，并且X是连接到可平移构件的弹簧端距离其平衡位置的位移。图7和图8中所示的弹簧(164、170)仅为说明性的，其他力储存装置也在本发明的范围内。

例如，在一个实施例中，一种电容器(未图示)具有固定的第一导线(未图示)以及附接到可平移组件的第二导线(未图示)，所述导线被绝缘材料(例如，空气)隔开；通过这种方式，所述电容器具有两个移动板(确切地说，一个板相对于另一个板移动)，因此具有可变电容。根据本实施例的变型，两个导电板之间被绝缘材料占据的距离随着可平移组件的平移而改变。第一导线和第二导线可以一次性充电并且在压缩机运行期间保持隔离，或者可以以不同方式充电并且在压缩机的不同运行期间内保持隔离，或者可以在压缩机操作期间永久连接到恒压发电机，或者可以在压缩机运行期间永久连接到可调电压发电机(通常，发电机的电压相对于可平移组件的振荡周期缓慢改变)。这种蓄能器储存与可平移组件的运动对应的可变电荷，以便所述电容器储存所述组件的惯性能并且被配置成供应所述电荷以驱动可平移组件的后续平移。一个或多个电容器可以与具有恒定或可变弹簧常数的一个或多个弹簧结合使用。

有利地，在具有包括弹簧的弹性构件的实施例中，弹簧可以经过配置，以使驱动装置致动可平移组件，从而以弹簧的共振频率激发所述可平移组件。而弹簧可以被设计成使共振周期与所需的致动时间一致。或者，弹簧可以被设计成使共振周期的谐波与所需的致动时间一致。

值得注意的是，本发明实施例的弹簧可能具有相对于与螺旋弹簧的大多数常见情况对应的时间和空间恒定；或者，所述弹簧常数可以随时间和/或位置改变，尤其是沿其长度改变(即，具体取决于弹簧的压缩程度)。

图9示出了可变蓄能器的实施例，所述可变蓄能器被配置成通过增大冲程并维持致动时间来改变压缩机容量，从而优化磁铁位置。以说明性方式，图示的蓄能器174包括弹性构件164，所述弹性构件具有多个可选的平行弹簧(101、102、103、104、105、106、107、108、109)。用于冲程中的弹簧数量可以改变，从而改变方程式4中所示的弹簧常数k，从而改变冲程长度并且优化磁铁位置。

更一般地，可以说图9中所示的实施例的蓄能器包括弹簧组件，所述弹簧组件具有连接到可平移组件的第一端以及相对于可平移组件固定的第二端。此弹簧组件包括多个弹簧，并且此弹簧组件的弹簧常数可调节；实际上，所述弹簧具有不同的弹簧常数并且平行布置，从而选择性地有效。或者，弹簧组件可以包括多个弹簧，这些弹簧具有不同长度并且平行布置，从而具有不同的有效冲程(即，在可平移组件的第一位移范围内，第一组弹簧弧作用于可平移组件上，在第二位移范围内，第二组弹簧有效，在第三位移范围内，第三组弹簧有效，...)。“平行布置”可从功能角度来理解；实际上，弹簧的轴线可以彼此平行(甚至在极限情况下重合)或者彼此倾斜。

图10和图11就获得指定速度分布所需的峰值力而言，示出了压缩机100相对于压缩机10的有利技术效果。

图10示出了压缩机气缸114，所述气缸被四条气缸分隔线(150、152、154、156)分为三个区域(AA、BB、CC)。分隔线150和152限定腔室区域AA，分隔线152和154限定腔室部分BB，并且分隔线154和156限定腔室部分CC。如图9中所示并且相对于方程式2而言，当活塞112处于气缸部分AA的下死点处时，驱动装置132施加足以克服(a)施加在活塞第一表面116上的气体力并且(b)增大驻留在可平移组件40上的惯性力的朝向头端的力，从而沿头端方向加速可平移组件140。当活塞112进入部分BB中时，力要求降低，驱动装置132供应的力仅足够克服(a)施加在活塞第一表面116上的气体力。可平移组件140的惯性在气缸部分BB中恒定。当活塞112进入部分CC中时，驱动装置132立即再次供应受方程式3约束的更大的力，足以克服(a)施加在活塞第一表面116上的气体力，并且(b)消除驻留在可平移组件140中的惯性力，从而使组件40的平移减速，致使组件停止并将活塞留在其上死点位置中。

图11图示了上述的速度和力变化。图11示出了速度和力与时间之间的关系图，其中时间出现x轴上，速度出现y轴左边，而力出现y轴右边。对应于气缸分隔线(150、152、154、156)的四条图分隔线(150、152、154、156)将该图分为三个部分(AA、BB、CC)，每个部分具有公共的驱动力水平和可平移组件加速率。类似于图10，图11中的分隔线150和152限定图的第一部分“AA”，其示出了腔室部分AA中的力施加和活塞加速度，分隔线152和154限定图的第二部分“BB”，其示出了腔室部分BB中的力施加和活塞加速度，并且分隔线154和156限定图的第三部分“CC”，其示出了腔室部分CC中的驱动力施加和活塞加速度。标记为“速度”的实线示出了压缩机10和压缩机100共同的从下死点向上死点运动期间的活塞加速度迹线。标记为“力₁₀”的具有三角标记的虚线示出了在从下死点向上死点位置运动期间，压缩机10的驱动装置32施加的驱动力，而标记为“力₁₀₀”的具有运圆形标记的虚线示出了在活塞112从下死点向上死点位置运动期间，压缩机100的驱动装置132施加的驱动力。有利地，在区域AA和CC中，压缩机100的峰值力要求低于压缩机10，如图所示，其中“力₁₀”迹线与“力₁₀₀”迹线分离，间隙标记为“减小的力”。图11中所示的有利的力要求为说明性且非限定性的；在本说明书中公开的本发明的不同实施例中，活塞行进的加速度/减速度和恒定速度段可能不同。

压缩机100的另一个有利效果在于，现有线性电动机技术可以适用于商用容量的施工机械。

例如，在第一非限定性实施例中，压缩机100包括具有同步线性电动机的电磁驱动组件132。在此实施例中，定子134包括多个导电线圈并且芯子136包括永久磁铁。所述多个导电线圈被布置成共轴并且与轴142平行。操作性地，所述多个线圈内的线圈可以独立地供能，从而产生驱动芯子136的磁动势，从而以可往复运动的方式沿轴142驱动可平移组件140。

或者，在第二非限定性实施例中，压缩机100包括具有异步线性电动机的电磁驱动组件132。在此实施例中，定子134包括多个导电线圈并且芯子136包括由诸如铜或铝等导电材料构成的反应板。所述多个导电线圈被布置成大体共轴或者与轴142平行。所述多个线圈连接到三相交流电源(未图示)并且经过配置，以便在获得供能之后，在反应板中感生电流。感生电流产生与线圈相互作用的磁场，从而产生驱动芯子136的原动力，从而以可往复运动的方式沿轴142驱动可平移组件140。

图12到图17示出了由磁性齿轮驱动装置电磁驱动的压缩机的实施例。

图12示出了根据本发明一个实施例的磁性齿轮驱动装置232。磁性齿轮驱动装置232连接到连接杆238并且被配置成响应于传感器(未图示)或控制系统(未图示)或者它们的组合发出的信号，以可往复运动的方式平移设置在气缸(外壳)214内的活塞212。磁性齿轮驱动装置232包括设置在第一定子与第二定子之间的芯子236，这些定子在图11中共同标记为定子234。芯子236连接到连接杆238，并且芯子236、连接杆238和活塞212包括可平移组件240。

图13示出了适用于本说明书中公开的压缩机的示例性驱动装置332。在图示的驱动装置实施例中，驱动装置332包括可移动的芯子336和定子334。在图示的实施例中，芯子336相对于定子334向外设置。芯子336包括压缩机连接杆338的一部分，并且进一步包括交替朝向(如箭头所示)的多个永久磁铁376，其形成于连接杆338的表面378上。定子334包括底座380和连接到底座380的多个绕组382。提供在连接杆338上的永久磁铁376的数量以及提供在底座380上的绕组382的数量可以根据压缩机应用改变。有利地，示例性构造提供的扭矩密度能够大幅减小压缩机大小，以此节省成本和质量，从而有利地通过减小可平移组件340(未图示)的质量减小峰值力要求。如上所示，外部底座/包括连接杆338的一部分的内部是具有一体式磁性齿轮装置的压缩机300(未图示)的一种可能构造。这是一种非限定性构造。在另一个示例性实施例中，驱动装置332包括外部永久磁铁底座以及布置在连接杆的一部分上的绕组。在此类实施例中，多个永久磁铁376提供在底座380的内表面上。

图14示出了根据本发明另一个示例性实施例的磁性齿轮驱动装置432。在图示的实施例中，芯子436包括连接杆438的一部分以及交错朝向(如箭头所示)的多个永久磁铁476，其形成于连接杆438的所述部分的内表面478上。定子434包括底座480以及连接到底座480的多个绕组482。多个固定磁极片484设置在多个芯子磁铁476与定子绕组482之间形成的空隙486内。根据压缩机400(未图示)的要求，磁极片484可以安装到底座480(例如，通过将相同层压板压印为定子芯子材料)或者可以单独安装。在一个实施例中，底座480与磁极片484之间可能存在空隙。在另一个实施例中，可以将非磁性材料插入底座480与磁极片484之间。固定磁极片484有助于永久磁铁芯子436励磁的磁场与固定绕组482励磁的磁场之间的扭矩传递。永久磁铁476、定子绕组482和磁极片484的数量可以根据压缩机应用改变。

图15示出了根据本发明另一个示例性实施例的磁性齿轮驱动装置532。在图示的实施例中，芯子536包括连接杆538的一部分以及交错朝向(如箭头所示)的多个永久磁铁576，其形成于连接杆538的内表面578上。定子534包括底座580以及连接到底座580的多个定子绕组582。多个固定磁极片584设置在芯子磁铁576与定子绕组582之间形成的空隙586内。在图示的实施例中，磁极片584与定子底座580一体成形。如上一个实施例所示，固定磁极片584有助于永久磁铁芯子536励磁的磁场与固定绕组582励磁的磁场之间的扭矩传递。

图16示出了根据本发明另一个示例性实施例的磁性齿轮驱动装置632。在图示的实施例中，驱动装置632包括可移动的芯子638，其设置在第一定子636与第二定子696之间。芯子638包括多个永久磁铁676，这些永久磁铁与连接杆638的一部分一体成形。每个定子包括底座(680、688)以及连接到其各自的底座的多个定子绕组(682、690)。在图示的实施例中，第一组固定磁极片684设置在芯子磁铁678与定子绕组682之间形成的空隙686内。第二组固定磁极片692设置在芯子磁铁678与绕组690之间形成的空隙694内。类似于图15中所示的实施例，第一组固定磁极片684可以与定子第一固定底座680一体成形。第二组固定磁极片692可以与定子第二固定底座688一体成形。

图17示出了根据本发明另一个示例性实施例的磁性齿轮驱动装置732。在图示的实施例中，驱动装置732包括可移动的芯子736，其设置在第一定子734与第二定子796之间。芯子736包括连接杆738的一部分、提供在连接杆的表面778上的第一组永久磁铁776以及提供在连接杆的表面778上的第二组永久磁铁798。第一定子734包括第一固定底座780以及连接到第一固定底座780的多个定子绕组782。第二定子796包括第二固定底座796以及连接到第二固定底座788的多个定子绕组790。类似于图15和图16中所示的实施例，固定磁极片(图17中未图示)可以设置在转子磁铁和定子绕组之间或者与定子芯子一体成形。

在上述的多个磁性齿轮传动实施例中，压缩机的芯子使用永久磁铁芯子实现。但是，还可以预计的是，一体式磁性齿轮装置还可以通过使用具有绕线磁场、鼠笼绕组或开关式磁阻极的芯子来实现。换言之，芯子的磁场可以通过直流驱动的电磁铁替代永久磁铁来实现。此外，对于用作磁通量调节装置的固定磁极片而言，这些磁极片的形状可以通过除了方形插件以外的其他插件形状，例如椭圆形或梯形来实现。例如，上述实施例中图示的构造被图示为包括三相绕组。还应了解，也可以使用不同数量的相位。

有利地，图12到图17中示出的实施例能够通过改变可平移组件运动期间获得供能的绕组的时间和/或数量来改变压缩机活塞所扫掠的速度和/或体积。这样，即无需在物理上再次配置压缩室的体积(即，通过关机)。这些机器通过使用手动操作的曲柄机械地移置压缩气缸的头端来控制容量，而曲柄这种特征是更难以适用于使用记录在非瞬时性机器可读介质上的指令集编程的控制器。在本发明的特定实施例中，这些指令指示控制器(a)选择要在可平移组件的平移期间供能的绕组子组，(b)按顺序向绕组供能，从而以目标速度平移所述可平移组件。在一个实施例中，平移速度进一步经过选择，以使压缩机以大致等于蓄能器弹性构件共振频率的频率工作，从而使弹性构件迅速累积/释放平移组件惯性能。在另一个实施例中，压缩机以弹性构件的共振频率的谐振频率运行，从而累积更多的惯性频率，尽管该惯性频率少于在弹性构件的共振频率下所能实现的值。

图18示出了具有电磁驱动装置832的电磁驱动压缩机800的实施例。

图18示出了具有双向(BDE设计)电磁驱动装置832的示例性压缩机800。驱动装置832包括两个芯子，即具有小孔806的第一芯子802和具有小孔808的第二芯子804。芯子可以由铁或磁性良好的其他任何金属板构成，以减小传动器的大小和重量。在一个实施例中，芯子由铁钴合金构成。示例性驱动装置832包括呈“E”形的第一芯子802和第二芯子804。在一些其他实施例中，芯子可以具有其他任何适当的形状，包括，但不限于，“U”形。驱动装置832进一步包括由可平移组件840限定的板801，可平移组件140以可滑动方式被小孔806和小孔808接纳。在一些实施例中，所述驱动装置可以包括四个芯子。第一芯子802包括设置在第一芯子802内的一组两个线圈810。第二芯子804包括设置在第二芯子804内的另一组两个线圈803。在一些实施例中，芯子可以包括两个以上的线圈。压缩机800进一步包括具有第一弹性构件864和第二弹性构件870的蓄能器874，其如上配置，以提供帮助可平移组件840沿平移轴842运动的力。双向驱动装置832以可驱动方式与可平移组件840接合，从而如上所述以可往复运动方式在气缸(外壳)814内驱动活塞812。

如以上章节中所述，例如，本说明书中所述的驱动装置的芯子的形状可以是“E”形或“U”形。为在非常短的时间内在芯子内产生高电磁力，电磁的芯子以及所述板通常由金属板制成，以避免涡流效应，因为芯子中增加的涡流可能减小电磁力产生的磁通量。为帮助合理简化使用金属板制造芯子的过程，可以使用的适当的设计构造。本说明书中所述的示例性“E”形或“U”形芯子可以使用诸如铁板等金属板简单地制造。此外，线圈获得供能之后，“E”形芯子还提供了较大区域以便芯子中的磁极发展。由于柱塞通过“E”形芯子的中心对齐，因此产生的磁力均匀地分布在柱塞的两侧上(由于线圈相对于“E”芯子的中心的位置均匀，以及由于电磁力引起的柱塞的运动可能足够平衡)。

操作性地，当打开流过第二芯子804中的线圈803的电流时，活塞812位于下死点位置(如图18中所示)。线圈803获得供能之后，向第二芯子804拉动组件104(如箭头805所示)，从而压缩第二弹性构件864，如图18所示。或者，当关闭流过线圈803的电流并且打开流过第一芯子802中的线圈810的电流时，活塞812处于上死点位置(未图示)。因此，在第一弹性构件864引导下，向第一芯子802拉动可平移组件840，活塞812向上死点位置平移。有利地，双向设计的驱动装置设计可能涵盖比单相设计更长的冲程，并且在冲程的初始阶段提供比传统线性电动机更大的力。所述力较大的原因是在冲程的端位置(下死点或上死点)中，预负载的压缩弹性构件864或870提高较大惯性力，其将可平移组件804和板802向相反的芯子驱动。因此，弹性力被有利地添加到冲程开始阶段由于板802与铁芯802和804之间存在较大空隙而存在的微弱磁力中，并且增强的初始力。

在电磁驱动装置实施例(未图示)中，一个或两个芯子可以沿平移轴独立地平移。通过这种可调性，下死点位置与上死点位置之间的活塞行进距离能够有利地调整，从而调整压缩机的容量。在另一个实施例中，可以通过补偿上述蓄能器配置来调整频率和平移速度。

尽管本说明书中只图示并描述了本发明的特定特征，但是所属领域中的技术人员可以推出许多修改和改变。例如，图19示出了本发明的一个实施例，其中压缩机601进一步包括第二气缸(外壳)603、具有第二活塞605的可平移组件611以及位于驱动装置632的任一侧上的第一蓄能器607和第二蓄能器。所述装置如上工作并且有利地将压缩气缸空间加倍，从而合并了上述优点。类似地，图20示出了本发明的一个实施例，其中压缩机801进一步包括第二气缸(外壳)803、具有第二活塞805的可平移组件811以及位于驱动装置832的任一侧上的第一蓄能器807和第二蓄能器。所述装置如上工作并且有利地将压缩气缸空间加倍，从而合并了上述优点。因此，应理解，随附权利要求书意在涵盖属于本发明的真实精神内的所有此类修改和改变。

在本发明的一个实施例中，一种操作往复式压缩机的方法包括沿第一方向加速可平移组件。加速包括从大体静止的状态向所述可平移组件施加力，以使其达到所需的特定速度。达到目标速度之后，施加力，以基本上克服通过气体占据往复式压缩机的压缩室而施加在可平移组件的活塞表面上的力。加速所述可平移组件将惯性传递可平移组件中，并且增大驻留在所述可平移组件中的动能。

所述方法进一步包括在可平移组件沿第一方向行进时使其减速。使可平移组件减速的方法是，将驻留在所述可平移组件中的惯性的一部分转移到蓄能器中，例如，通过使上述弹性构件变形来实现。使所述可平移组件减速将减小驻留在可平移组件中的惯性，并且减小与在其沿第一方向运动期间与组件相关的动能。

所述方法还包括使用储存在所述蓄能器中的能量沿第二方向加速所述可平移组件。在一个实施例中，在可平移组件的第一运动期间变形的弹性构件松开并返回到其原始状态，从而向可平移组件施加力并且在其第二运动期间加速所述组件。

所属领域中的技术人员应理解，可以在不脱离本发明范围的情况下做出各种改变以及用多种等效形式替代。另外，在不背离本发明范围的情况下，可以做出许多修改以使具体情况或材料适应本发明的教示。因此，本发明并不限于公开的特定实施例，本发明将包括落在随附权利要求书范围内的所有实施例。

Claims (18)

1.一种往复式压缩机，所述往复式压缩机包括：

活塞，所述活塞以可往复运动方式设置在压缩气缸内；

可平移组件，所述可平移组件连接到所述活塞；

电磁驱动装置，所述电磁驱动装置具有固定定子以及连接到所述可平移组件的芯子，所述驱动装置被配置成以可往复运动方式驱动所述可平移组件；以及

蓄能器，所述蓄能器连接到所述可平移组件，

其中所述蓄能器被配置成储存驻留在所述可平移组件沿第一方向运动中的动能，以及

其中所述蓄能器被配置成传递驻留在所述可平移组件沿第二方向运动中的动能。

2.根据权利要求1所述的往复式压缩机，其中所述蓄能器包括弹簧组件，所述弹簧组件具有连接到所述可平移组件的第一端以及相对于所述可平移组件固定的第二端，其中所述弹簧组件包括一个或多个弹簧，其中所述弹簧组件的弹簧常数可调节。

3.根据权利要求2所述的往复式压缩机，其中所述弹簧组件的至少一个弹簧具有沿其长度可变的弹簧常数。

4.根据权利要求2所述的往复式压缩机，其中所述弹簧组件包括多个弹簧，所述弹簧具有不同长度并且平行布置，从而具有不同的有效冲程。

5.根据权利要求2所述的往复式压缩机，其中所述弹簧组件包括多个弹簧，所述弹簧具有不同弹簧常数并且平行布置，从而选择性地有效。

6.根据权利要求1所述的往复式压缩机，其中所述蓄能器包括具有弹簧的弹簧组件，其中所述可平移组件的连接杆被配置成以与所述弹簧的共振频率和所述弹簧的所述共振频率的谐振频率中的一个频率大致匹配的频率往复运动。

7.根据权利要求1所述的往复式压缩机，其中所述蓄能器包括至少一个电容器，所述电容器具有连接到所述可平移组件的第一导电材料以及相对于所述可平移组件固定的第二导电材料，因此，所述至少一个电容器具有移动板并且具有可变电容。

8.根据权利要求1所述的往复式压缩机，所述电磁驱动装置包括：

其中设置有至少一个线圈的第一芯子，其中所述第一芯子相对于所述可平移组件固定；

其中设置有至少一个线圈的第二芯子，其中所述第二芯子相对于所述可平移组件固定；以及

由所述可平移组件限定的板；

其中使其中设置的所述至少一个线圈带电之后，所述板被向所述第一芯子或所述第二芯子牵引。

9.根据权利要求8所述的往复式压缩机，其中所述第一芯子与所述第二芯子之间的轴向距离可调整。

10.根据权利要求1所述的往复式压缩机，所述电磁驱动装置包括：

相对于所述可平移组件固定的定子；以及

连接到所述可平移组件的芯子。

11.根据权利要求10所述的往复式压缩机，所述电磁驱动装置进一步包括安置在所述定子与所述芯子之间的多个磁极片。

12.根据权利要求1所述的往复式压缩机，所述电磁驱动装置包括：

相对于所述可平移组件固定的定子，定子具有多个线圈；以及

连接到所述可平移组件的芯子，

其中所述压缩机被配置成通过选择要从所述多个线圈带电的线圈来改变所述可平移组件的平移距离。

13.根据权利要求1所述的往复式压缩机，

其中所述活塞界定第一活塞表面和第二活塞表面，

其中所述气缸和所述第一活塞表面共同界定第一压缩室，所述第一压缩室与气体供应系统和气体输送网络气动连通；并且

其中所述气缸和所述第二活塞表面共同界定第二压缩室，所述第二压缩室与所述气体供应系统和所述气体输送网络气动连通。

14.一种操作往复式压缩机的方法，所述往复式压缩机包括可平移组件、连接到所述可平移组件的蓄能器以及连接到所述可平移组件的电磁驱动装置，所述方法包括：

通过使用所述电磁驱动装置向所述可平移组件施加力来沿第一运动方向加速所述可平移组件；

通过将驻留在所述可平移组件中的动能储存在所述蓄能器中来沿所述第一运动方向减速所述可平移组件；以及

通过从所述蓄能器储存的能量中产生力来沿第二运动方向加速所述可平移组件。

15.根据权利要求14所述的方法，其进一步包括通过将驻留在所述可平移组件中的动能储存在所述蓄能器中来沿所述第一运动方向减速所述可平移组件。

16.根据权利要求14或权利要求15所述的方法，其进一步包括选择第一运动距离；以及选择与所述第二运动距离不同的第二运动距离。

17.根据权利要求14或权利要求15所述的方法，其中所述蓄能器是可变蓄能器，所述方法进一步包括配置所述蓄能器以在所述可平移组件的运动期间储存所需的能量。

18.根据权利要求16所述的方法，其中所述蓄能器是可变蓄能器，所述方法进一步包括致动所述电磁致动器以改变所述第一运动距离或第二运动距离中的一个运动距离并且维持所述致动时间。