CN105570205A - 一种多级自增压气浮活塞和直线电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多级增压技术领域，提供了一种多级自增压气浮活塞和直线电机。其中气浮活塞将气缸分成工作腔和背压腔，且内部形成活塞内腔和气源腔；工作腔、活塞内腔和气源腔之间均通过单向阀依次串联；活塞内腔中设置有子活塞，各个单向阀利用子活塞产生的压力波导通，使得从工作腔通往气源腔的气流的气压递增，并使得气源腔中的气压大于工作腔和背压腔中的气压；气源腔中的气体进入气浮活塞和气缸的间隙之间。本发明的多级自增压气浮活塞，设置有多级增压结构，保证气源腔中气体的气压始终大于工作腔和背压腔中的气压，使得气流进入气浮活塞和气缸的间隙形成可靠的气膜，从而防止气浮活塞和气缸之间的摩擦，以便有效保护活塞和气缸结构。

Description

一种多级自增压气浮活塞和直线电机

技术领域

本发明涉及多级增压技术领域，尤其涉及一种多级自增压气浮活塞和直线电机。

背景技术

直线电机是一种动子做直线往复运动的电机结构，电机动子010与活塞连接在一起，活塞在气缸001内运动。其中一种形式将电能转化成声波形式的机械能，具体地，电机在交变电流驱动下，活塞通过往复运动可向外输出压力波；另一种形式将声波形式的机械能转化成电能，具体地，当活塞在压力波驱动下做往复运动时，电机则可向外输出交流电。通过采取一定的支撑结构，活塞可以始终和气缸001之间保持一定的微小间隙，不产生任何摩擦，因此这种电机不会有任何磨损，寿命非常长。为了使活塞和气缸001之间保持一定的微小间隙，目前主要由两种方式来支撑活塞：牛津板簧支撑和气浮支撑。板簧支撑因为受到材料疲劳极限的制约，活塞的行程难以增加，在大功率的电机系统中应用受到了很大的限制。

气浮活塞002和气缸001的结构如图1所示，当气浮活塞002在气缸001内往复运动时，工作腔016内会产生压力波，从而使得最终工作腔压力018如图2中波浪线所示。假设系统内的平均压力为10MPa，产生的波动压力为1MPa，当工作腔016内的压力超过单向阀导通压力，例如10.6MPa时，单向阀004开启，气体从工作腔016进入活塞内腔006，从而在活塞内腔006形成一个比工作腔016和背压腔017平均压力都高的气源，这样只要工作腔016和背压腔017的压力低于活塞内腔006的时候，气体就会从活塞内腔006经过节流小孔003进入气浮活塞002和气缸001之间的间隙，形成一层极薄的气膜005，起到支撑气浮活塞002的作用。

但是在采用这种结构时，在一个周期内会出现工作腔压力018高于或接近活塞内腔006压力的时刻，此时，气膜005的支撑力很小甚至接近为零，活塞会跟气缸001之间产生摩擦，虽然每个周期内发生摩擦的时间非常短，但仍然可能最终导致活塞失效。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题就是提供一种多级自增压气浮活塞和直线电机，使得气浮活塞与气缸始终被气膜分离，防止摩擦的产生。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种多级自增压气浮活塞，将气缸分成工作腔和背压腔，内部形成活塞内腔和气源腔；所述工作腔、活塞内腔和气源腔之间均通过单向阀依次串联，且气流从所述工作腔流向所述气源腔；所述活塞内腔中设置有子活塞，各个所述单向阀利用所述子活塞产生的压力波导通，使得从所述工作腔通往所述气源腔的气流的气压递增，并使得所述气源腔中的气压大于所述工作腔和背压腔中的气压；所述气源腔中的气体进入所述气浮活塞和气缸的间隙之间，对所述气浮活塞形成气浮支撑。

优选地，所述活塞内腔为多级，且相邻的所述活塞内腔之间通过所述单向阀串联。

优选地，所述活塞内腔为一级，且所述活塞内腔通过两个单向阀分别与所述工作腔和气源腔连接。

优选地，所述子活塞包括活塞头和弹簧，所述活塞头通过所述弹簧与活塞内腔的内腔壁连接，所述活塞头将所述活塞内腔分成正腔室和背腔室，所述弹簧位于所述背腔室中。

优选地，所述工作腔中的气流通过所述正腔室进入所述气源腔中。

优选地，所述弹簧为牛津型同心涡旋臂板板簧。

优选地，所述气源腔中的气体通过节流小孔通入所述气浮活塞和气缸的间隙之间。

本发明还提供一种直线电机，包括气缸和在所述气缸中做往复运动的活塞，所述活塞为上述多级自增压气浮活塞。

(三)有益效果

本发明的技术方案具有以下技术效果：本发明的多级自增压气浮活塞，设置有多级增压结构，保证气源腔中气体的气压始终大于工作腔和背压腔中的气压，使得气流进入气浮活塞和气缸的间隙形成可靠的气膜，从而防止气浮活塞和气缸之间的摩擦，以便有效保护活塞和气缸结构。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术气浮活塞的安装示意图；

图2是图1中气浮活塞对应的各个压力的坐标示意图；

图3是实施例一气浮活塞的安装示意图；

图4是图3中气浮活塞对应的各个压力的坐标示意图；

图5是实施例二气浮活塞的安装示意图；

图6是图5中气浮活塞对应的各个压力的坐标示意图；

图中：001、气缸；002、气浮活塞；003、节流小孔；004、单向阀；005、气膜；006、活塞内腔；010、电机动子；016、工作腔；017、背压腔；018、工作腔压力；019、单向阀导通压力；1、气缸；2、气浮活塞；3、节流小孔；4、第一单向阀；5、气膜；6、第一级活塞内腔；7、第二级活塞内腔；8、第一活塞头；9、第一弹簧；10、电机动子；11、第二单向阀；12、第二弹簧；13、第三单向阀；14、第二活塞头；15、气源腔；16、工作腔；17、背压腔；18、工作腔压力；19、第一单向阀导通压力；20、第一级活塞内腔压力；21、第二单向阀导通压力；22、第二级活塞内腔压力；23、第三单向阀导通压力。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明的多级自增压气浮活塞2，将气缸1分成工作腔16和背压腔17。其中所述气浮活塞2内形成活塞内腔和气源腔15，且工作腔16、活塞内腔和气源腔15依次串联，使得气流从工作腔16流出通过活塞内腔，并流入气源腔15。

显然，活塞内腔和气源腔15的设置在于增压，从而使得最终气源腔15中的气压满足要求，能够在气浮活塞2和气缸1的间隙之产生稳定的气膜5。有鉴于此，本发明在活塞内腔中均设置有子活塞，随着气浮活塞2运动，各个子活塞也随之一起往复运动，从而在活塞内腔中也产生压力波。在此基础上，工作腔16、活塞内腔和气源腔15之间均通过单向阀连接。也即工作腔16中的气流要进入活塞内腔，首先要导通设置在工作腔16和活塞内腔之间的单向阀；进入活塞内腔中的气流要进入气源腔15中又要导通设置在活塞内腔和气源腔15之间的单向阀。

为了保证从所述工作腔16通往所述气源腔15的气流的气压递增，并使得最终进入所述气源腔15中的气压大于所述工作腔16和背压腔17中的气压，对于各个单向阀的导通压力也是预先设定好的，其应当是大于当前的活塞内腔的平均压力，从而只有利用子活塞产生的压力波才可以在特定时候导通单向阀，并使得流向气源腔15的压力逐级增高。最终气源腔15中气体的气压应当大于所述工作腔16和背压腔17中的气压，保证气源腔15中气体的气压始终大于工作腔16和背压腔17中的气压，使得气流进入活塞和气缸1的间隙形成可靠的气膜5，从而防止气浮活塞2和气缸1之间的摩擦，以便有效保护气浮活塞2和气缸1结构。

为了对本发明的多级自增压气浮活塞2的工作原理进行阐述，下面根据活塞内腔的级数分成不同的实施例进行说明。

实施例一

请参见图3，本实施例一的多级自增压气浮活塞2，内部形成一级活塞内腔，也即第一级活塞内腔6，以及气源腔15。该第一级活塞内腔6分别通过两个不同的单向阀与工作腔16和气源腔15导通，本实施例中设置在工作腔16和第一级活塞内腔6之间的为第一单向阀4，设置在第一级活塞内腔6和气源腔15之间的为第二单向阀11。气流的方向为从工作腔16中流出，经过所述第一级活塞内腔6后进入气源腔15。显然气流的流动方向和单向阀的设置方向是相对应的。

当本实施例一的气浮活塞2在电机动子10的驱动下做往复运动时，在工作腔16内产生压力波，从而使得工作腔压力18如图4中所示。当工作腔16内的压力高于第一单向阀导通压力19，例如10.6MPa时，第一单向阀4导通，气体由工作腔16进入第一级活塞内腔6，从而在第一级活塞内腔6形成平均压力约为10.9MPa的压力源。在第一级活塞内腔6内有第一子活塞，随着气浮活塞2往复运动该第一子活塞会受迫振动。通过采用合适的第一子活塞，可以在第一级活塞内腔6产生一个相位与工作腔16内反相的压力波，从而得到第一级活塞内腔压力20如图4中所述。

当第一级活塞内腔6的压力高于第二单向阀导通压力21，例如11.2MPa时，第二单向阀11开启，气流从第一级活塞内腔6进入气源腔15，并在气源腔15形成一个平均压力为11.3MPa的压力源。由于气源腔15的压力高于工作腔16和背压腔17任何时刻的压力，因此气流就会总是从气源腔15中进入气浮活塞2与气缸1之间的间隙中，形成气膜5，对气浮活塞2起到支撑的作用，并且在任何时刻气膜5的支撑力都存在，不会使气浮活塞2与汽缸产生任何摩擦。

本实施例一中的工作腔压力18、第一单向阀导通压力19、第一级活塞内腔压力20和第二单向阀导通压力21的关系请进一步参见图4。

显然本实施例一中，一级活塞内腔连接两个单向阀，从而气流总共进行了两次增压。也即每经过一个单向阀，则进行了一次增压。需要注意的是，本实施例中涉及到压力的具体数据都是基于参数特定的气浮活塞2和气缸1确定的，显然该数据并不是唯一确定的，根据不同的工作情况以及气浮活塞2和气缸1选择，各级压力也是可以进行适应性的改变或者调整的。

在本实施例一中，气浮活塞2是工作活塞，质量和体积最大，需要采用气浮支撑活塞的方式。而第一子活塞的作用主要是用来增压，起到辅助的作用，扫气量通常小于气浮活塞2。其中，第一子活塞的形式可以为第一活塞头8和第一弹簧9连接的形式。具体地，所述第一活塞头8通过所述第一弹簧9与第一级活塞内腔6的内腔壁连接，所述第一活塞头8将所述第一级活塞内腔6分成正腔室和背腔室，并且第一弹簧9所在的腔室为背腔室。其中通过适当的调节第一弹簧9的刚度，可以使第一子活塞的第一活塞头8质量非常小，因此它跟第一级活塞内腔6的内腔壁面之间即使是直接摩擦，也不会产生过渡磨损。第一弹簧9也可以采用牛津板簧结构，具体为牛津型同心涡旋臂板板簧，对第一活塞头8起到径向支撑的作用，防止第一活塞头8与第一级活塞内腔6的内腔壁面之间的摩擦。

需要说明的是，本实施例的附图中单向阀都是与正腔室连通，从而气流是经过第一级活塞内腔6的正腔室进入气源腔15，该附图并不构成对气流途径的限制，显然气流也可以是流经背腔室后进入气源腔15。同样当活塞内腔为多级时，气流的路径也可以经过任意正腔室或者背腔室。

此外，正腔室和背腔室只是为了区分附图中第一级活塞内腔6内位于第一活塞头8左侧的腔室和右侧的腔室。当然第一弹簧9也可以设置在附图中第一活塞头8右侧的腔室。此外，第一活塞头8还可以是多段式，且各段之间通过弹簧连接。显然本实施例一种的子活塞的形式不受附图局限，任何现有技术中成熟的活塞技术都可以应用到本实施例一中。

本实施例的气源腔15为设置在气浮活塞2上沿气缸1长度方向延伸的腔体，且其中的气流通过与所述气源腔15连通的节流小孔3稳定的通入到气浮活塞2和气缸1的间隙之间。显然，如图中气源腔15的结构不构成对气源腔15的限制。只要能够最终保证在气浮活塞2和气缸1的间隙之间形成稳定的气膜5，则任意形式的气源腔15或者是等效结构都应当是包含在本发明的保护范围之内的。

实施例二

本实施例二和实施例一不同之处仅仅在于活塞内腔的级数。

请参见图5，本实施例二的多级自增压气浮活塞2，内部形成二级活塞内腔和气源腔15。其中活塞内腔也即第一级活塞内腔6和第二级活塞内腔7。工作腔16和第一级活塞内腔6之间，第一级活塞内腔6和第二级活塞内腔7之间，以及第二级活塞内腔7与气源腔15之间均通过单向阀连接，且分别为第一单向阀4、第二单向阀11和第三单向阀13。

当本实施例二的气浮活塞2在电机动子10的驱动下做往复运动时，在工作腔16内产生压力波，从而使得工作腔压力18如图6中所示。当工作腔16内压力高于第一单向阀导通压力19，例如10.6MPa时，第一单向阀4导通，气体由工作腔16进入第一级活塞内腔6，从而在第一级活塞内腔6形成平均压力约为10.9MPa的压力源。在第一级活塞内腔6内有第一子活塞，随着气浮活塞2往复运动该第一子活塞会受迫振动。通过采用合适的第一子活塞，可以在第一级活塞内腔6产生一个相位与工作腔16内反相的压力波，从而得到第一级活塞内腔压力20如图6中所述。

当第一级活塞内腔6的压力高于第二单向阀导通压力21，例如11.2MPa时，第二单向阀11开启，气流从第一级活塞内腔6进入第二级活塞内腔7，并在第二级活塞内腔7形成一个平均压力为11.3MPa的压力源。在第二级活塞内腔7内同样设置有一个第二子活塞，随着气浮活塞2的运动，第二级活塞内腔7内的第二子活塞，也会产生受迫振动，得到第二级活塞内腔压力22如图6所示。通过采用合适的第二子活塞，可以在第二级活塞内腔7产生一个相位与工作腔16内相同的压力波，如图6所示。

当第二级活塞内腔7的压力高于第三单向阀导通压力23，例如11.5MPa时，第三单向阀13开启，气流从第二级活塞内腔7进入气源腔15，并在气源腔15内形成一个平均压力为11.51MPa的压力源。由于气源腔15的压力高于工作腔16和背压腔17任何时刻的压力，因此气流就会总是从气源腔15流经节流小孔3进入气浮活塞2与气缸1之间的间隙，形成气膜5，对气浮活塞2起到支撑的作用，并且在任何时刻气膜5的支撑力都存在，不会使气浮活塞2与汽缸产生任何摩擦。

请进一步参见附图5，第一子活塞包括互相连接的第一活塞头8和第一弹簧9，第二子活塞包括互相连接的第二活塞头14和第二弹簧12。

本实施例二中的工作腔压力18、第一单向阀导通压力19、第一级活塞内腔压力20、第二单向阀导通压力21、第二级活塞内腔压力22和第三单向阀导通压力23的关系请进一步参见图6。

显然，本发明的多级自增压气浮活塞2中的活塞内腔并不局限为一级或者两级，其还是可以是任意多级。

此外，本发明还提供一种直线电机，包括气缸1和在所述气缸1中做往复运动的活塞，且其中的活塞采用上述的多级自增压气浮活塞2。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种多级自增压气浮活塞，将气缸分成工作腔和背压腔，其特征在于，内部形成活塞内腔和气源腔；所述工作腔、活塞内腔和气源腔之间均通过单向阀依次串联，且气流从所述工作腔流向所述气源腔；所述活塞内腔中设置有子活塞，各个所述单向阀利用所述子活塞产生的压力波导通，使得从所述工作腔通往所述气源腔的气流的气压递增，并使得所述气源腔中的气压大于所述工作腔和背压腔中的气压；所述气源腔中的气体进入所述气浮活塞和气缸的间隙之间，对所述气浮活塞形成气浮支撑。

2.根据权利要求1所述的多级自增压气浮活塞，其特征在于，所述活塞内腔为多级，且相邻的所述活塞内腔之间通过所述单向阀串联。

3.根据权利要求1所述的多级自增压气浮活塞，其特征在于，所述活塞内腔为一级，且所述活塞内腔通过两个单向阀分别与所述工作腔和气源腔连接。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的多级自增压气浮活塞，其特征在于，所述子活塞包括活塞头和弹簧，所述活塞头通过所述弹簧与活塞内腔的内腔壁连接，所述活塞头将所述活塞内腔分成正腔室和背腔室，所述弹簧位于所述背腔室中。

5.根据权利要求4所述的多级自增压气浮活塞，其特征在于，所述工作腔中的气流通过所述正腔室进入所述气源腔中。

6.根据权利要求4所述的多级自增压气浮活塞，其特征在于，所述弹簧为牛津型同心涡旋臂板板簧。

7.根据权利要求1至3中任意一项所述的多级自增压气浮活塞，其特征在于，所述气源腔中的气体通过节流小孔通入所述气浮活塞和气缸的间隙之间。

8.一种直线电机，包括气缸和在所述气缸中做往复运动的活塞，其特征在于，所述活塞为权利要求1至7中任意一项所述的多级自增压气浮活塞。