CN1101615C - 线性电机压缩机 - Google Patents

Abstract

一种线性电机和/或压缩机(10；100；300；500；600)包括：内装多个电磁铁(40，40’；140，140’；315，315’，316；515a-515c，635a-635d)的外壳(20；120；311；511)；具有中央导杆(30，30’；130；356，356’；520；655)的梭子(50；150；350；550；650)，该导杆使梭子与电磁铁同轴；以及用于梭子的悬浮机构，它包括机械弹簧，气体弹簧，和磁性弹簧安排。电磁铁形成多个轴向展开的磁隙，同梭子上的对应磁隙相互作用形成推～拉式合力，使梭子作往复运动。各电磁铁的电流之间可产生一相位差，用于改善梭子的悬浮作用。可使冷却剂通过空心的中央导杆循环流动，使压缩机从内部冷却。梭子和电磁铁间可形成多级压缩安排并使压缩机双向工作，将工作流体逐级压缩以产生一高气压输出。通过将定子悬浮可实现整机无振动运行。

Description

线性电机压缩机

本发明所属技术领域

本发明涉及一种线性电机和采用该电机的压缩机。

本发明背景技术

本发明是针对第GB-2299715-B号英国专利中公布的发明作出的改进，该专利所公布的内容特结合在此作为参考。

本发明概述

本发明的第一个目的是提供一种线性电机和/或压缩机，该电机或压缩机具有进一步提高的能量转换效率以及更加紧凑并且成本有效的结构。

根据本发明的一个方面，它提供了一种线性电机，其中包括：定子，它具有一磁性构造以限定多个沿轴向展开的磁隙；往复部件(梭子)；以及为该定子和/或往复部件提供能量的装置；其中该往复部件亦具有一磁性构造以限定多个沿轴向展开的磁隙，以此与该定子的磁隙相互作用。

根据本发明的另一方面，它提供了一种线性电机压缩机，其中包括：限定一内空间的外壳；定子，它具有一磁性构造以限定多个沿轴向展开的磁隙；作为自由活塞置于该内空间中的往复部件；构成至少一个进出该内空间的流体通道的阀门装置；以及为该定子和/或往复部件提供能量的装置；其中该往复部件亦具有一磁性构造以限定多个沿轴向展开的磁隙，以此与该定子的磁隙相互作用。

在定子和梭子之间沿梭子运动轴方向安排一系列磁隙的优点是定子和梭子的直径均可较小。另一优点是定子和梭子的磁隙可安排为相互交错的关系，这样它不仅增强两者间的推～拉式驱动力，还增强对梭子的电磁悬浮作用。因此，它可提高能量转换效率并减小悬浮弹簧的工作负载。作为一个优选方案，定子线圈可分为两组并在各组的电流之间引入一相位差，以此增强电磁悬浮作用。

当某一应用需要更强驱动力时，这一要求可通过在定子和梭子结构中安排更多的磁隙来实现，并以此形成一较长并功率更大的单机。这样一个相对细长的构造可提供更好的散热效果，因而对大功率单机极为有益，特别是在该单机使用了对温度敏感的稀土磁铁的情况下。

作为一个优选方案，梭子可由一中央导杆支持，以确保它相对定子做无接触运动并同时形成间隙密封(clearance seal)，从而允许无润滑运行。中央导杆可以是穿通梭子的一空心轴，通过其中可循环一冷却剂。另一方案是由梭子携带一对同轴对位的短轴作为中央导杆，其上再带有活塞。

作为另一优选方案，压缩机的内空间可分为预压缩室和再压缩室，以此形成多级压缩结构对工作流体进行逐级压缩。另一优点是可形成一中间室接收来自预压缩室的加压流体，经中间冷却后送入再压缩室。再一优点是将第二级压缩室安排在线性电机的结构之外以改善其散热能力和能量效率。

本发明的另一个目的是为线性电机的往复部件提供一改进的悬浮机构，以此使电机运行的效率更高并更可靠。

根据本发明的另一个方面，它提供一种线性电机往复部件的悬浮机构，其中该线性电机有一定子，其上带有磁极装置用于同该往复部件上的磁极装置相互作用，使后者在两个末端位置间做往复运动；其中该悬浮机构包括与该往复部件的磁极装置相互作用的磁性弹簧装置，以此根据往复部件向每一末端位置的运动产生一返回力。

作为一优选方案，该磁性弹簧装置由一叠套式永磁结构形成内部磁通密集区，以此在往复部件进入该区域时对其产生作用。另一方案是由电磁铁构成该磁性弹簧装置，由一轴向展开的磁隙与往复部件相作用。

本发明的再一个目的是提供一种线性电机，它具有一磁通转换机构使该电机的运行效率更高。

根据本发明的再一个方面，它提供一种线性电机内的磁通转换机构，其中该线性电机有一定子，其上带有限定多个磁隙的磁极装置，以此与一往复部件的磁极装置相互作用；其中定子的磁极装置设有磁通转换装置，以此根据供给定子的供能电流方向将磁通转换到一特定轴向上以改进定子和往复部件之间的磁耦合。

作为一优选方案，该定子的磁极装置还有沿轴向伸展的磁极面扩展结构以进一步改进磁耦合。

本发明的再一个目的是提供一种线性电机和/或压缩机，它具有能实现无振动运行的悬浮机构。

根据本发明的再一方面，它提供的线性电机和/或压缩机有一外壳，其内容纳一定子和一往复部件(梭子)；其中该定子和往复部件均有悬浮机构使它们可相对移动；运行时定子和往复部件之间的相互作用使它们反方向运动。

作为一个优选方案，可用盘式弹簧装置将定子悬浮并确保它与外壳间的精确定位。另一优点是盘式弹簧装置还可作为隔膜将定子与外壳间的空间分割为多个室，这样定子的移动还可产生压缩作用。

附图简要说明

本发明进一步的特征，优点和细节将参照附图所示优选实施方案予以说明，在以下附图中：

图1A和1B是根据本发明第一优选实施方案的一台压缩机沿中轴的截面图；

图2是第一实施方案所示静止部件的截面图；

图3是第一实施方案中梭子的截面图；

图4A和4B是根据本发明第二优选实施方案的一台压缩机沿中轴的截面图；

图5是第二实施方案所示静止部件的截面图；

图6是第二实施方案中梭子的截面图；

图7是根据本发明第三优选实施方案的一台压缩机沿中轴的截面图；

图8是第三实施方案所示静止部件的截面图；

图9是第三实施方案中梭子组件的截面图；

图10所示为用于第三实施方案的控制电路；

图11是根据本发明第四优选实施方案的一台压缩机沿中轴的截面图；

图12是第四实施方案所示静止部件的截面图；

图13是第四实施方案中梭子组件的截面图；

图14A至14E示出磁通转换机构的工作原理；

图15是用于本发明第四实施方案的控制电路；

图16A和16B是根据本发明第五优选实施方案的一台压缩机沿中轴的截面图；

图17是第五实施方案中外壳结构的截面图；

图18是第五实施方案中定子的截面图；

图19是第五实施方案中梭子组件的截面图；以及

图20A和20B示出一簧片阀的结构。

优选实施方案的详细说明

在本申请书中，为了便于理解将本发明作为一台压缩机来予以说明。应当指出，同一发明概念既可用于气体也可用于液体，并且还可用于真空泵。因此，除非另有说明，“压缩机”一词应被解释为包括所有这些应用。同样，通过简单地除掉阀门和密封圈部件，同一发明概念还可用于制造线性电机。由于这一原因，没有必要再单独说明如何将每一压缩机实施方案改为一台线性电机。此外，本申请中所用的“磁性构造”一词应解释为包括所有能产生磁通量的安排，包括电磁，永磁或两者的结合。无须赘言，一旦讲明工作原理，用一种“磁性构造”取代另一种或将两种相结合均为显而易见。最后，同样显而易见的是一个有效的电动机设计也可用做发电机，这仅需将其运行方式逆转过来，即：利用机械输入来驱动电动机并使其产生电输出。

第一实施方案的整体结构

图1A中，压缩机10包括：一外壳20，固定在外壳两端的两个环形电磁铁40和40’，两根短轴30和30’(未示出截面)，每一短轴固定在一个电磁铁的中央，由短轴所支持的梭子50，和一悬浮结构，它包括螺旋弹簧61和61’以及缓冲磁铁62和62’。两个电磁铁40和40’的结构与GB-2299715-B号英国专利中相似，它们对梭子50产生一推～拉式合力。

压缩机10是具有内部多级压缩构造的双向作用单机，其内部在梭子50和电磁铁40和40’之间形成了三对相互隔离的室。具体说，梭子50的两个轴向端与缓冲磁铁62或62’之间的环形空间形成两个第一级压缩室I和I’，工作流体经过通道70和70’从压缩机外部进入其中。梭子50内部的圆柱空间II和II’形成两个第二级压缩室。而来自压缩室I和I’的工作流体经通道80和80’进入其中。围绕梭子磁极54和54’的环形空间形成另外两个室G和G’，它们所形成的气体弹簧构成梭子悬浮系统的一部分。

图2中，外壳20有一非磁性圆柱形壁21，其上有多个外部翼片22用于增强其机械强度和散热性能。两个电磁铁完全相同，因此仅对右侧电磁铁40予以说明。左侧电磁铁40’上的对应部分由带有撇号’的同一参考号来表示。

电磁铁40有一磁性基座部件41，由固定装置23固定在外壳20上。该电磁铁的磁回路构成包括一环形外磁极42，它通过磁性部件43与基座相联，以及同轴内磁极44，其后端直接与基座相联。环形线圈45安装在部件42，43，41和44所限定的空间内。磁极42和44之间形成一轴向展示的磁隙，用于同梭子的磁极相互作用，如下文所述。

两个电磁铁之间夹有一个非磁性导热材料，如铜或铝制成的分隔环24，以改善压缩机的散热。环内装有非磁性内衬部件25，它伸展到两个电磁铁的磁隙内。这样，内衬部件25提供了与梭子50的外表面紧密匹配的一个完整平滑的内表面，当两者的间隙为大约10微米(μm)时，它就构成一间隙密封从而阻止通过其间的气体泄漏。内衬部件25的两端还限定了气体弹簧室G和G’的外壁。内磁极44的内表面也有一内衬部件46形成预压缩室I的外壁。

两根轴30和30’沿轴向对位以引导梭子的移动。两者完全相同，因此仅对右侧的轴30予以说明。轴30包括管状部分31，装在管状部分31一端的活塞头32，活塞头内的单向阀34和活塞头外表面上的密封圈33。密封圈33由自润滑材料如Teflon，制成，可进行无润滑剂运行。

梭子结构

图3中，梭子50有一径向磁化的环形中央磁铁51，其外周为北极(外磁极)而内周为南极(内磁极)，这样它有沿外表面整个圆周均匀分布的径向磁通与电磁铁的环形磁极相作用。一磁性管状部件52装在环形磁铁51内部，作为其内磁极件。

管52的两端装有两个中间磁极件54和54’，在它们的轴向端装有两个沿轴向磁化的末端磁铁55和55’。这些磁铁的极性安排方式使磁极件54或54’与中央磁铁51以及末端磁铁55或55’的南极相联，由此产生高磁通密度与电磁铁40或40’相作用。磁极件54或54’与磁铁51之间的环形空间形成一轴向展开的磁隙，与电磁铁相互作用。该磁隙中填有非磁性并且重量轻的物质58或58’，例如泡沫塑料或树脂，并覆盖有一非磁性低摩擦套层59以形成一平滑轴承面。两木端磁铁55和55’亦覆盖有非磁性低摩擦套层56和56’。

管52的内部由一分隔件53分为两个第二级压缩室II和II’，管52的内表面与图2所示两短轴30和30’上的活塞密封圈33和33’形成不漏气配合。管52的外表面与磁极件54，54’以及中央磁铁51的内表面之间形成多个流体通道80和80’，这样第一极压缩室I或I’内的流体可流入末端磁铁55或55’，然后进入通道80或80’的输入孔81或81’，并从第二级压缩室II或II’内的输入孔82或82’流出。由于管52的外周上均匀地切有多个通道80和80’(图中仅示出一个)，输出孔82或82’还对活塞密封圈33或33’具有气体轴承的作用。

每一末端磁铁55或55’内有一个非磁性垫圈57或57’顶在管52的一端上，用于支持图1A中所示的悬浮弹簧，并使管和弹簧实现磁性隔离。组装时，垫圈52和轴30之间形成一小空隙，它容许室I内的流体进入通道80的输入孔81。

往复式运行

现返回图1A和1B。图1A中，梭子50位于一中性位置，例如，当两个电磁铁内无电流时，梭子的位置取决于两个悬浮弹簧61和61’的偏压力。在这一位置上，梭子的每一磁极54和54’均与对应电磁铁的内外磁极成交错位置，即处于轴向展开的磁隙内。与此类似，电磁铁的内磁极42或42’与中央磁铁和磁极54或54’也成交错位置，即处于梭子的轴向展开的磁隙内。在本申请中，“轴向展开的磁隙”一词所描述的磁隙结构是指限定一个磁隙的两个磁极件之间保持一轴向距离，这样通过磁隙的磁通方向整体上为轴向。由于两个电磁铁和梭子均有轴向展开的磁隙，它们对应的磁极件可处于相互交错的关系。这样的位置关系在不削弱梭子与电磁铁间磁耦合的情况下使梭子有一相对较长的冲程，实现高效运行。

图1B中，电磁铁已通电并且它们磁极上的极性由小写字母n和s标出，由此表明电磁铁和梭子之间的相互作用。这时的磁力将梭子向左侧驱动。更具体地说，电磁铁40的状态为它的外磁极42为n，内磁极44为s，所以它的作用是将梭子的中央磁铁51推出，同时将末端磁铁50拉入磁隙。另一端，电磁铁40’的状态是将末端磁铁55’推出而将中央磁铁51拉入磁隙，这样，末端磁铁55与电磁铁40形成一个闭合磁回路，而中央磁铁51与电磁铁40’形成一个闭合回路。当电磁铁的电流方向反转时，梭子将以相同方式被驱向另一端。由于每个电磁铁总是与梭子上的至少一个永磁铁相作用，使其高效率运行。

图1B中，当末端磁铁55’接近缓冲磁铁62’时，两者间产生一强排斥力。这一强磁缓冲力与被压缩到接近其最小长度的悬浮弹簧61’以及被减小为一个“死”空间的气体弹簧室G’的作用一起为梭子提供了适当的保护，以防止它与磁极44相撞。通过选择悬浮机构的三个要素，即缓冲磁铁(它与梭子的末端磁铁形成磁性弹簧)，机械弹簧和气体弹簧，使梭子的自然频率接近供电频率，即50Hz或60Hz，这样梭子以其共振频率运行。

运行中，活塞头使梭子精确对位并与压缩机其它部件同轴。由于梭子和活塞头之间的总接触面积很小，摩擦和损耗亦很小。另一方面，由于电磁铁的磁极大致为圆环形或圆柱形，并与梭子磁极相匹配，它们在梭子往复运动过程中不产生侧向驱动力。侧向力的一个可能的来源是螺旋弹簧61和61’，但它们的侧向作用受到轴30和30’的限制。所有这些因素确保梭子运动的总摩擦阻力很小并使梭子可以无润滑运行。

多级压缩

由于梭子在相反方向上的运动均产生压缩作用，压缩机10为双向作用机器。在考虑工作流体传输途径时，有两个相互隔离的气体流通/压缩途径。一个途径由右端基座41上的气体输入孔71开始，经通道70进入预压缩室I，然后当梭子后移时气体进入末端磁铁55并经通道80进入第二级压缩室II’，最终在下一梭子冲程中经左端的短轴30’从压缩机中排出。另一路径从相同方式在相反方向上形成。在每一气体流动途径中梭子的密封表面56构成第一个单向阀，它使通道70的出气孔72打开或关闭。第二个单向阀是由活塞头的密封表面33’构成，它使通道80的出气孔82’打开或关闭。这就是说，通道70和80是否打开或关闭取决于梭子50的轴向位置。

图1A中，梭子的位置将所有通道70，70’，80和80’均封闭，因此没有气体流入压缩机或在机内各室间流动。图1B中，梭子50移向左侧，右室I的空间扩张并且通道70开放使气体被吸入，同时通道80被封闭并且室II’的空间减为零使其中的气体通过活塞32’的输出阀被压出。另一方面，梭子的同一移动封闭左通道70’并使室I’的空间减为最小，所以其内的气体只能经通道80’进入下一级压缩室II，该室为扩张状态并吸入气体。下一冲程时梭子向右移使整个过程改变方向。

除了由单一移动部件实现两级压缩的优点之外，该安排的另一优点是每一压缩运动漏气很少。例如，当梭子左移时，左压缩室I’和II’均处于压缩状态，所以它们的内部气压同时升高，这就减少了室II’和I’之间的漏气。与此类似，气体弹簧室G’也是高气压，有助于减少从室I’的漏气。此外，尽管梭子的外轴承表面59与内衬件25的内轴承面之间有一很小的间隙使两者基本上无接触，与梭子的外径相比，这一间隙构成一个很长的漏气途径，因此当梭子以高速往复运行时，通过这一长间隙的气体泄漏可忽略不计。所有这些特征使无润滑剂运行切实可行，因为梭子无须依靠润滑剂起密封作用。最后，值得一提的是因为进入每一压缩室的进气孔是围绕对应的轴承面圆周排列，它们也产生气体轴承作用，有助于减少摩擦和损耗。

第二实施方案的整体结构

图4A和4B中，压缩机100的整体结构及其运行方式均与第一实施方案类似。主要的区别为其中央引导结构，悬浮机构，多级压缩和中间冷却安排。以下仅对这些新特征予以说明。

图5中，中央导杆130有分别固定在每一电磁铁基座上的两个端段131和131’，以及装在两端段之间的中段132。每一端段覆盖有低摩擦套133或133’，它提供一滑动密封表面。中段132的两端装有垫圈134和134’，用于支持悬浮弹簧。沿中央导杆130的中轴形成一通孔，它可用于流体循环，从内部使压缩机冷却。

图6中，梭子150有一内磁极152，它带有一内脊153，用于支持两密封圈157和157’。这些密封圈同时作为悬浮弹簧的垫圈。梭子的其它部分，即其中央磁铁，两末端磁铁以及两个中间磁极件154和154’均与第一实施方案中类似。

如图4A所示，梭子150装入压缩机100后，它的两个末端磁铁与中央导杆的两个端段成滑动配合，而两个密封圈157和157’则与中央导杆的中段滑动配合，保证了梭子在运行时与其它部件精确的同轴关系。密封圈还将梭子的内空间分为两个密封室，每室中装有一悬浮弹簧161或161’，这样在运行中由螺旋弹簧和气体弹簧的作用共同使梭子悬浮。

梭子的磁极154或154’与对应电磁铁的内磁极件之间的环形空间形成第一级压缩室I或I’。梭子末端磁铁和它们对应对缓冲磁铁之间的环形空间II和II’形成两个第二级压缩室。在第一压缩室内I和I’内，磁极件的磁极面上装有弹性环147，该环对梭子起缓冲作用，避免其直接撞击磁极件，同时还避免在压缩室内形成死空间。第二级压缩室II和II’内也有类似的环167和167’。两个电磁铁之间形成一中间冷却室C，它有气体通道从两个第一级压缩室I和I’接受加压气体并将产生供应给两个第二级压缩室II和II’。所有通道均围绕内衬部件125而形成。

压缩机100内的气体通道将参照图5予以说明，图中各部件的截面影线均去除，使阴影部分表示的气体通道更加明显。气体输入管线通过外壳壁进入室C并形成螺管200。该螺管有助于管内外的气体之间进行热交换，由此在室C内产生冷却效果。

运行时，管200内的气体经通道170’及其在第一级压缩室I’内的出气孔172’进入该压缩室。然后该气体由梭子运动经通道180’排出压缩室并经单向阀182’进入室C并在其内形成高气压。同时，室C内的高压气体进入通道190和它在第二级压缩室II中的出气孔。梭子改变运动方向时，室II内的气体则通过通道195的输出阀193排出。另一平行气体通道以同样方式安排在相反方向上。

应注意，中间冷却室C同时从两个第一级压缩室接受压缩气体，并向两个第二级压缩室供应气体，所以两端的工作条件完全相同。这有助于使梭子在相反方向上能够稳定工作。在这一安排中，尽管仅有一个移动部件，它以非常高效率的方式实现了高输出压和流量。

第三实施方案的整体结构

现参照图7至9所示压缩机300说明本发明的第三实施方案。压缩机300的很多方面及其基本工作原理与以上各方案类似。其新特征包括：三线圈电机定子，不同的梭子结构，修改过的中央导杆安排，改进的磁性弹簧构造和不同的多级压缩及中间冷却安排。以下对这些新特征详细说明。

如图7所示，压缩机300包括由定子310和梭子350构成的线性电机和一对第二级压缩组件330和330’，每一组件装在定子的一端。在压缩组件330或330’内部有一活塞370或370’与梭子连接并受其驱动。运行时，工作气体首先进入定子内的第一级压缩室，然后进入位于定子之外的中间冷却室以释放掉一部分热量，此后再进入组件330和330’内的第二级压缩室进一步加压。这些组件的位置均远离电机，因此第二级压缩产生的热量可以容易地散掉。定子310和组件330及330’中静止部件的细节在图8中示出，梭子350及其与两活塞370和370’的连接在图9中示出。

图8中，定子310有一磁性材料制作的外壳311，它构成定子磁回路的一部分。外壳311有多个外部翼片以增强其机械强度和散热能力。一个高机械强度的外壳有助于使其它部件均精确对位，如以下所进一步说明。外壳311的每端装有一基座部件312或312’它们携带内磁极件313或313’。外壳311内沿轴向安排着三个线圈315，316和315’，彼此间由两个环形磁极件314和314’相隔离。一非磁性气缸314装在线圈之内并夹持在两内磁极件313和313之间，由此限定一个容纳梭子350的圆柱形内空间。气缸壁上形成多个孔324和324’，作为压缩室I和I’的进气孔。在这一构造中，四个磁极件313，314，314’和313’彼此间形成三个轴向展开环形磁隙，分别对应于三个线圈。线圈通电时跨过每一磁隙均产生强交变磁通量，以此驱动梭子的往复运动。通过在电机结构中增加第三个线圈，在不增加电机直径和体积的情况下可增强梭子上的总驱动力。梭子的磁性构造也有相应改变，将在以下说明。

每一内磁极件313或313’的背侧有一个磁性弹簧组件，它包括内磁铁319或319’，背侧磁极片320或320’以及外磁铁318或318’。如图8中所示的磁铁极性，从磁铁319或319’的暴露极面到磁极件313或313’的内缘之间形成了高磁通密度区，基本上与压缩室I或I’的空间相对应。在这一构造中，由于磁性弹簧的内磁极是“叠套”在外磁铁之内，大部份磁通量被“裹”在弹簧结构之内，这使该弹簧更加有效和有力。此外，与内磁铁319或319’相比，外磁铁318或318’的体积要大得多，这就允许在弹簧组件内使用低成本永磁材料，如铁氧体。铁氧体的附加优点还有它自身不产生涡电流并有较高的工作温度。

每一第二级压缩组件330或330’装在一相应的基座312或312’上，并包括一磁性弹簧构造。由于两组件结构相同，仅对右侧的组件330予以详细说明。组件330有一大致为杯形的外壳331，其上有非磁性导热材料(如铝)的翼片332。外壳331的左侧有一法兰盘333与定子外壳311的形状相配，使两者可精确对位并固定为一体。外壳331内有第二级气缸340，其一端靠在磁极件320上，而另一端装在外壳331中，由气缸盖341封闭。气缸340和盖341限定了第二级压缩室II，该室有通过气缸壁的进气孔343和在盖341中央的出气孔，其上盖有输出阀349。密封圈342确保气缸340和外壳331之间密封。另一密封圈345装在磁极件320上使活塞杆密封，该密封圈还支持一悬浮弹簧，如下文说明。气缸340和外壳331之间有一环形空间346，它通过磁极件320上的输出阀326接受来自第一级压缩室的压缩气体，并起中间冷却室的作用。

图9中，梭子350有一中央磁极环351，两个中央磁铁352和352’，两个中间磁极件353和353’和两末端磁铁354和354’，这些部件均装在非磁性材料的中央销杆355上，使磁铁和磁极件保持同轴。梭子350上的磁铁均为轴向磁化，这样每一磁铁沿其自身长度形成一轴向展开的磁隙。同样，由于中央磁铁352和352’体积相对较大，可使用低成本材料如铁氧体来制作梭子并且不过度损失其磁强度。磁铁352，352’，354和354’的极性安排方式为将两个中央磁铁的同极性端指向共同磁极件351，在其上产生高密度径向磁通。中央磁铁352或352’的外表面上覆盖有一密封层356或356’，形成与图8中气缸317的内表面相作用的滑动密封。中央销杆355的每端装有轴356或356’，它们作为中央导杆穿过定子基座并保持梭子与定子同轴。每根轴的另一端有由螺丝371或371’固定的活塞370或370’，用于第二级压缩。

现回到图7，梭子支持在磁极件320和320’之间，而后两者又是由两外壳331和331’保持精确对位。其它静止部件也都对位，以此保证梭子350和两活塞370和370’可进行基本上无接触的往复运动。当梭子装入定子内空间时，它将该空间分为两个第一级压缩室I和I’。与此类似，活塞370和370’也将每一第二级气缸340和340’的内空间分为一个第二级压缩室II和II’和一弹簧室，用于容纳悬浮弹簧348或348’，该弹簧室通过孔344或344’与中间冷却室346相通。由于弹簧室始终与中间冷却室相通，它们也成为中间冷却室的一部分。

压缩机300内部的气体通道由图7中的箭头示出。当梭子350移动到右端时，第一压缩室I’的体积增大并通过定子外壳上的输入孔321’，内磁极件上的通道322’以及穿过气缸317的孔324’所形成的通道将气体吸入。与此同时，压缩室II’通过孔343’从中间冷却室346’将气体吸入。当梭子反向移动时，它将孔324’封闭并使室I内的气体被压缩并经通道325’和输出阀326’进入中间冷却室346’，而室II’内的气体压缩后经输出阀349排出。

由于冷气体经定子中部进入压缩机300，它对线圈和梭子产生良好的冷却作用。另一方面，离开室I或I’的加压气体暂时存入中间冷却室346或346’，在此降温后再进入室II或II’，使整个压缩过程效率提高。此外，由于室II和II’远离定子和梭子，第二级压缩产生的热量不会造成电机过热而影响其运行。

图10示出压缩机300的控制电路，其中的一个重要概念是在电线圈315’和315所构成的一组线圈和由线圈316所构成的另一组线圈的电流之间产生相位差，例如可通过与线圈316平行地联接一电容C。通过线圈315’和315的电流I₁是通过线圈316的电流I₂与通过电容C的电流I₃的向量和，即：

                  I₁＝I₂+I₃

由于通过电容C的电流I₃超前通过线圈316的电流I₂(后者基本上为一电感性元件)，这使电流I₁也超前I₂。这就是说，由于同一电流I₁通过线圈315’和315，这两个线圈产生的磁驱动力总是同相位并超前由线圈316产生的驱动力，其相位差取决于电容C的值。运行中，当梭子350在三个线圈的合力作用下趋近一轴向末端位置时，两个末端线圈315’和315中的电流方向变换要超前中央线圈316，由此产生有效的电磁悬浮作用并使悬浮弹簧机构的作用增强。由于这一作用仅发生在梭子接近其末端位置时，它将不损害系统的效率，与此相反，通过改善梭子的悬浮，它可改进整体效率。通过选择电容C的适当值，可对系统进行精密的调试，使其适合于某一特定应用。电路中还包括防止电机启动时电流激增的保护性热敏电阻R_t1，和一个过热保护电路，它包括电阻R，热敏电阻R_t2和中继开关S₂。该保护电路的运行是常规技术，无须进一步说明。

第四实施方案的整体结构

现参照图11至15所示压缩机500说明本发明的第四实施方案。压缩机500的很多方面以及其基本工作原理与以上各实施方案类似。其新特征包括：电磁铁磁极中的磁通转换机构和磁极面扩展构型，在驱动电路中产生相位差的电路安排和改进的悬浮机构。以下对这些新特征详细说明。

图11中，压缩机500包括定子510，梭子550，一对末端组件530和530’以及中央导杆520，它将整个机器固为一体。运行时，工作气体通过定子进入室I和I’，然后由梭子压入末端组件530和530’内的中间冷却室II和II’，此后再进入室III和III’进一步加压，最后通过阀门块540和540’内的输出阀排出。

图12中，中央导杆520和梭子550被去除以显示定子510和两末端组件530和530’的细节。定子510有一磁性材料制作的外壳511，它构成定子磁回路的一部分。外壳511的每端装有一末端磁极件512或512’。三个线圈515a，515b和515c同轴排列在外壳511内，彼此间由两个环形磁极件513和513’相隔。磁极件的环形磁极面上有齿状磁极面延伸构型516和516’。该齿状构型使定子的磁极面沿轴向伸展，这样特别是在电流改变方向时它可使定子和梭子间的磁耦合得到改善。另一方面，通过使各齿的尖部之间保持必要的间隙长度g，可避免经磁隙间的磁通泄漏。如图12中箭头所示，磁极件结构内还有由磁铁514和514’构成的磁通切换机构，其工作原理将参见图14A至14E予以进一步说明。非磁性气缸517装在三个线圈内并夹持在两末端磁极件512和512’之间，为梭子550限定一个圆柱形内空间。气缸517上形成进气孔524和524’与前一实施方案相似。

组件530有一非磁性外壳531，其上有导热材料如铝制的外部翼片532。外壳531有一法兰盘533与定子外壳511的对应部位匹配，确保两者间精确对位。外壳531内有一第二级气缸534，其一端顶在末端磁极512上，另一端在阀门块540上。环绕气缸534由线圈535和磁极件518构成一个磁性弹簧。它与外壳513之间有一中间冷却室II，其上有相关的进出气安排。

图13中，梭子550有一中央磁极环551和两个中央磁铁552和552’，装在一非磁性材料制成的管状部件555上。管状部件555的每端有一中间磁极件553或553’，其上还有末端磁铁554或554’以及末端磁极件556或556’。磁铁554或554’以及末端磁极件556或556’均安装在塑料或合成材料制成的轴承部件557或557’上，该部件的环形端部构成活塞面558或558’。运行时，活塞面558或558’的隔热作用可防止磁铁过热。同样，所有磁铁均为轴向磁化，使每一磁铁沿其自身长度在相应的磁极件之间形成一轴向展开的磁隙。这样，梭子550有四个磁隙与定子的三个磁隙相互作用。如下文的进一步说明，在运行中的任何时刻梭子上总有三个磁隙与定子相互作用而有另一磁隙与磁性弹簧相互作用。

梭子550由一内部悬浮机构来支持，该机构包括一中轴520和一对机械弹簧525和525’。中轴520有一较粗的中段522和一个支撑弹簧的中央脊523。中段522的每端是一细轴521或521’分别穿过轴承557或557’。如图11所示，细轴521或521’的另一端穿过阀门块540或540’，使整个机器精确对位并由螺帽固定。轴520为一空心结构，可通过其中央循环一冷却剂，使整个机器-特别是梭子-在运行中得到冷却。

图14A至14E示出第四实施方案中磁通转换机构的工作原理。图14A中，磁铁514装在磁极件513内形成的环形槽中。由磁铁514产生的磁通经磁极的狭窄部位513a和513b形成一闭合回路，并使这些部位的磁通接近饱和。图14B示出由线圈514a形成的磁通分布。由于两方案的工作方式类似，以下仅对使用永磁铁514的方案进行说明。

图14C示出梭子装入定子后线圈中无电流时的磁通分布。转换磁铁514和514’产生的磁通与中央磁铁552和552’相互作用形成两个闭合的磁回路，由此产生的对位力将梭子锁定在中央位置，这时每一磁回路的磁阻为最小。如图14D所示，定子通电时，磁铁514和522产生的磁通与线圈515a耦合，同时磁铁514’和522’产生的磁通与线圈515b耦合，由此产生向右的合力，如图底部的大箭头所示。应注意，磁极件513和513’的大部分磁通量这时已转换到磁极面延伸构型的左侧一半上，另一侧仅有极少磁通量。如图14E所示，电流变换方向时，磁铁514和514’将使磁通转换到磁极件513和513’的另一侧，使梭子上的驱动力变为相反方向。这样，根据电流方向的变化将磁通从磁极的一侧转换到另一侧可极大地改善定子和梭子间的磁耦合，使梭子在较高能量转换效率的条件下实现较长的冲程。

图15示出第四实施方案的控制电路。该电路中，每一磁性弹簧线圈535或535’与一电容联接，然后两者再与线圈515a或515c并联，它们再与线圈515b串联。这样，通过线圈515b的电流I₁是通过线圈515a的电流I₂与通过线圈535的电流I₃的向量和，同时也是通过线圈515c的电流I’₂与通过线圈535’的电流I’₃的向量和，即：

                 I₁＝I₂+I₃＝I’₂+I’₃

这就是说，五个线圈被分为有不同电流相位差的三组，其中线圈535和535’的电流超前于线圈515b，后者又超前于线圈515a和515c。运行中，当梭子趋近末端位置时，磁性弹簧线圈535和535’中的电流将已经改变了方向并产生一排斥力，它在中央线圈515b的帮助下使梭子反向运动。同样，通过选择磁性弹簧线圈535和535’以及有关电容的适当值，可对系统进行精密的调试。

第五实施方案的整体结构

现参照图16A至20B所示压缩机600说明本发明的第五实施方案。压缩机600的很多方面及其基本工作原理与以上各方案类似。其新特征包括：更加紧凑的梭子设计，它有一中央导杆贯通全长使所有部件均精确对位；悬浮定子设计保证机器的无振动运行，它也有一贯通其全长的气缸使所有部件均精确对位；新式气流通道；以及装在中央导杆内的单向阀。以下对这些新特征详细说明。

图16A和16B中，压缩机600包括筒状部件611形成的外壳610和一对末端组件620和620’，由一对盘式弹簧悬浮的定子630和定子内的梭子组件650，其两端分别伸入末端组件620和620’内。

图17中，定子和梭子组件均被去除，以显示外壳610的细节。外壳中部由筒状部件611构成，两端是末端组件620和620’，由固定装置619固定在中间部分上。筒状部件611有外部翼片612以改进其机械强度和散热能力。整个部件由磁性材料制成并成为定子磁回路的一部分。孔613和613’成为进入外壳的进气孔。部件611的每端有法兰盘614或614’用于同末端组件620和620’精确对位和固定。两末端组件620和620’完全相同，所以仅说明组件620。组件620有一非磁性和导热壳体，可由铸铝制成。该铸件有一圆柱部分621，其上有外部翼片622用于散热，和一法兰盘部分623。它有一凸唇624用于同筒状部件611的对应法兰盘衔接。唇624的内面上装有一弹性部件625覆盖法兰盘623的内表面，机器组装时可在弹性部件625和弹性垫圈615之间夹持一盘式弹簧640(图17中未示出)以保证不漏气的装配。弹性部件的表面形状与定子端部的形状匹配，这样可为盘式弹簧及定子提供碰撞保护，同时还提供隔音和隔热，如以下进一步说明，圆柱部分621内有一气缸衬626与阀门块670共同限定一压缩室。

图18示出定子630及其悬浮弹簧640和640’的结构。定子内有一贯通其全长的非磁性气缸631，它限定了一圆柱内空间用于容纳梭子组件650的中间部分。气缸631可由自润滑材料制成，最好使用有金属或玻璃纤维增强的复合材料使其有良好的机械强度和导热性能。通过磁极件和气缸631的进气孔634和634’的构成与前一实施方案相似。围绕气缸631有四个线圈635a，635b，635c和635d，它们之间由中间磁极件633a，633b和633c相互隔开并由两末端磁极件633和633’将它们夹在一起。与前一实施方案类似，中间磁极件633a，633b和633c有磁通切换磁铁。每一末端磁极件上装有磁性弹簧636或636’，每个弹簧固定在气缸631的一端并为悬浮弹簧640或640’提供连接结构。每一磁性弹簧636或636’内装有一滑动轴承/密封部件638或638’，用于支持梭子轴。盘式弹簧640和640’可由薄金属片和非金属弹性材料片(如橡胶或塑料)制成的叠层，这样该弹簧还可用作隔膜，将外壳610与定子630之间的空间分割为多个密封室，如下文所述，通过选择弹簧的硬度可使定子的自然频率接近于供电频率。

图19中，梭子组件650有薄壁管656构成的非磁性中央导杆，用于安装其它的部件并使它们精确对位。管656可由不锈钢或钛合金制成。梭子的中间部分由一系列磁铁和磁极件构成，包括中央环形磁铁651，两个中央磁极件652和652’，两个末端环形磁铁653和653’以及末端磁极件654和654’，其上带有用于碰撞保护的弹性垫片655和655’。中间部分的圆柱外表面上盖有一自润滑膜与图18中的气缸631形成间隙密封。管656内有多个磁铁棒651a，653a和653a’以及磁极件652a，652a’，654a和654a’，它们充满管内的空间并形成结构紧凑的设计。管656内还装有两个簧片阀660和660’，它们有进气孔657和657’以及出气孔658和658’，以此形成单向气流。

管656的每端通过由球形部件666或666’和球座664或664’构成的万向接头连接活塞头665或665’。使用万向接头可使梭子轴与活塞之间形成“松动”连接，保证活塞665和665’在运行时不受到侧向力以使其密封面的磨损降为最小。活塞665或665’可由自润滑塑料制成，用于无润滑剂运行。使用塑料活塞的另一优点是它可隔离压缩热使其不影响梭子上的磁铁。万向接头座664或664’可是阀门660或660’的延伸，它可用轻便高强度材料制成，如工程塑料或碳纤维材料。在薄管656中插入这样一个部件还可显著改进轴的机械强度。组装后万向接头座还支持一悬浮弹簧，这与前一实施方案相同。活塞上也有一单向阀667或667’，使气体进入压缩室。

图20A和20B示出簧片阀660或660’的结构。图20A中，阀门660由阀座661，簧片662和固定簧片的出气部件663构成。阀座661和出气部件663有互相对应的斜表面，其间形成一小空隙用于装簧片。簧片由弹性薄片构成，如不锈钢或铍青铜片。簧片沿阀座的斜表面弯曲，这样它自身的弹性力使其压在进气口上将其密封。运行时，出气部件663的斜表面可阻止簧片后弯过度。图20B示出簧片662有一舌簧条662a和一固定条662b，它将绕部件663成一圆环形成可靠固定。这一设计可保证一个可靠的簧片阀可安装在梭子轴内的有限空间里。

现参照图16A和16B说明压缩机600的运行方式。压缩机组装后，定子630由两个盘式弹簧640和640’完全悬浮，并且其圆柱形外表面与筒状部件611的内表面间形成一空隙(图16A和16B中该空隙被夸大使其更明显)。部件611是定子磁回路的一部分。这样，定子本身与外壳610并无直接的接触并可以自由振动。运行时，由于定子和梭子组件均为充分悬浮并可自由地往复运动，同时由于它们之间的作用力和反作用力总是大小相等方向相反，这样它们互相引起对方向相反方向运动并互相抵消振动作用，由此实现整个机器基本上无振动。悬浮定子还可防止噪音泄漏到压缩机之外，实现了安静和无振动运行。

压缩机600为双向工作设计，并有内部的多级压缩构造。压缩机的每一侧在外壳610，定子630，梭子组件650之间形成四个室，包括在外壳内定子和盘式弹簧间的消音室I或I’，定子内的第一级压缩室II或II’，盘式弹簧640或640’和末端组件620或620’之间的中间冷却室III或III’以及每一末端组件内的末级压缩室IV或IV’。如图16B所示，当梭子组件650被推向左侧时，定子630被反作用力推向右侧。在这一位置上，右侧的室II和IV分别从室I或III中吸入气体，而在左侧，室II’中的气体经簧片阀660’被压入室III’而室IV’中的气体被压出阀门块670’。这就是说，除了无振动运行外，定子的运动尽管很小但仍对压缩过程作出有益的贡献。

最后应指出，由于消音室I和I’内的输入气体有助于使线圈和梭子磁铁冷却，还由于末级压缩室IV和IV’的位置远离定子并且与定子保持热绝缘，它们产生的压缩热不会影响梭子上的磁铁，这使电机保持高效率。工业应用

由以上说明不难理解，本发明的线性电机和/或压缩机至少有以下优点：

a)能量效率高，结构紧凑，生产成本低。

b)高气压和流量输出。

c)无润滑剂，无泄漏和无须维护的运行方式。

d)低噪音，低振动运行。

e)优良的散热性能。

f)长寿命，无故障的可靠悬浮方式。

最后，无需赘言，本申请的各个实施方案仅为示范例。一旦理解了基本发明概念，本领域的熟练人员即可容易地对它们进行调整和修改。例如，将前两个实施方案相结合即可实现三级压缩。在第三和四实施方案中，定子上可装入更多线圈而梭子上可有更多磁铁，使电机的功率更高并使它有相对较长的外形，更利于散热。此外，为了在线圈间产生相位差，可使用其它电抗元件，如电感或电阻元件。

Claims (22)

1.一种线性电机(10；100；300；500；600)包括：

一定子；一往复部件(50；150；350；550；650)；以及为该定子和/或往复部件提供能量的装置；

其特征在于：

该定子具有产生磁通量的装置(40，40’；140，140’；315，315’，316；515a-515c；635a-635d)并形成多个沿轴向展开的磁隙；并且该往复部件亦具有产生磁通量的装置(51，55，55’；352，352’，354，345’；552，552’，554，554’；651，653，653’)形成多个沿轴向展开的磁隙，以此通过推～拉式力与该定子的磁隙相互作用。

2.一种线性电机压缩机(10；100；300；500；600)包括：

外壳(20；120；311；511；611)，其中容纳限定了一内空间的定子；置于该内空间中的一往复部件(50；150；350；550；650)；以及为该定子和/或往复部件提供能量的装置；

其特征为还包括构成进出该内空间的至少一个流体通道的阀门装置；并且

其中该定子具有产生磁通量的装置(40，40’；140，140’；315，315’，316；515a-515c；635a-635d)并形成多个沿轴向展开的磁隙；并且该往复部件亦具有产生磁通量的装置(51，55，55’；352，352’，354，345’；552，552’，554，554’；651，653’，653’)形成多个沿轴向展开的磁隙，以此通过推～拉式力与该定子的磁隙相互作用。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征为所述定子和往复部件的磁隙安排为相互交错的关系。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征为所述往复部件的产生磁通量的装置是由永磁铁和/或电磁铁构成。

5.根据权利要求1或2所述的装置，其特征为进一步包括中央引导装置(30，30’；130；356，356’；520；655)，用于保持该往复部件与该定子同轴。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征为所述中央引导装置为空心结构，形成一冷却剂循环通道。

7.根据权利要求1或2所述的装置，其特征为进一步包括用于该往复部件的悬浮机构，其中包括磁性弹簧构造。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征为所述磁性弹簧构造有一叠套式永磁和/或电磁结构，其内形成高磁通密度。

9.根据权利要求1或2所述的装置，其特征为进一步包括用于缓冲该往复部件的防碰撞弹性部件。

10.根据权利要求1或2所述的装置，其特征为进一步包括在该定子和/或往复部件各磁隙的磁通之间产生相位差的装置。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征为所述产生相位差的装置为一电容，电感和/或电阻类电抗元件。

12.根据权利要求2所述的装置，其特征为所述定子和往复部件安排为形成至少一个预压缩空间和一个再压缩空间，以及两者间的单向流体通道，以此对工作流体进行逐级压缩。

13.根据权利要求12所述的装置，其特征为所述再压缩空间是在定子之外形成。

14.根据权利要求12或13所述的装置，其特征为进一步包括安排在该预压缩空间和再压缩空间之间的一个中间冷却空间。

15.根据权利要求1或2所述线性电机和/或压缩机的往复部件所用的一种悬浮机构，其特征为包括：磁性弹簧构造，用于同该往复部件相互作用并根据其向两个预定末端位置的运动产生返回力。

16.根据权利要求15所述的悬浮机构，其特征为所述磁性弹簧有一叠套式永磁和/或电磁结构，其内形成高磁通密度。

17.根据权利要求1或2所述线性电机和/或压缩机所用的一种磁通转换机构，其特征为所述定子和/或往复部件上相邻磁隙间的磁极件被一磁通发生装置分隔为轴向的两个部分，以此根据定子和/或往复部件的供能电流方向的变化将磁通量从一个磁极部分转换到另一磁极部分上。

18.根据权利要求17所述的磁通转换机构，其特征为所述磁通发生装置包括轴向磁化的永磁装置和/或电磁装置。

19.根据权利要求17所述的磁通转换机构，其特征为所述磁极装置包括沿轴向扩展磁极面的装置。

20.根据权利要求1或2所述的线性电机和/或压缩机，其特征为所述定子和/或往复部件均有悬浮机构使它们可相对运动，运行时两者间的相互作用使它们向相反方向运动。

21.根据权利要求20所述的线性电机和/或压缩机，其特征为所述定子由盘式弹簧悬浮使其与外壳精确对位。

22.根据权利要求21所述的线性电机和/或压缩机，其特征为所述盘式弹簧同时作为隔膜将定子和外壳间的空间分为多个室，由此使定子运动产生压缩作用。

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